Kvantdatorer har redan lyckats överträffa vanliga datorer när de löser vissa uppgifter - tyvärr helt värdelösa. Nästa milstolpe är att få dem att göra användbara saker. Forskare vid Chalmers tekniska universitet, Sverige, har nu visat att de kan lösa en liten del av ett verkligt logistikproblem med sina små, men väl fungerande kvantdator.

Intresset för att bygga kvantdatorer har fått stor fart de senaste åren, och febrilt arbete pågår i många delar av världen. År 2019, Googles forskargrupp gjorde ett stort genombrott när deras kvantdator lyckades lösa en uppgift mycket snabbare än världens bästa superdator. Nackdelen är att den lösta uppgiften inte hade någon praktisk användning alls - den valdes eftersom den bedömdes vara lätt att lösa för en kvantdator, men mycket svårt för en vanlig dator. Därför, en viktig uppgift är nu att hitta användbar, relevanta problem som är utom räckhåll för vanliga datorer, men som en relativt liten kvantdator skulle kunna lösa.

"Vi vill vara säkra på att den kvantdator vi utvecklar kan hjälpa till att lösa relevanta problem tidigt. Därför, vi arbetar i nära samarbete med industriföretag, "säger teoretiska fysikern Giulia Ferrini, en av ledarna för Chalmers tekniska universitetets kvantdatorprojekt, som började 2018.

Tillsammans med Göran Johansson, Giulia Ferrini ledde det teoretiska arbetet när ett team av forskare på Chalmers, inklusive en industriell doktorand från flyglogistikföretaget Jeppesen, visade nyligen att en kvantdator kan lösa ett exempel på ett verkligt problem inom flygindustrin.

Alla flygbolag står inför schemaläggningsproblem. Till exempel, Att tilldela enskilda flygplan till olika rutter representerar ett optimeringsproblem som växer mycket snabbt i storlek och komplexitet när antalet rutter och flygplan ökar. Forskare hoppas att kvantdatorer så småningom kommer att bli bättre på att hantera sådana problem än dagens datorer. Den grundläggande byggstenen för kvantdatorn - qubit - bygger på helt andra principer än bitarna på konventionella datorer, så att de kan hantera enorma mängder information med relativt få qubits.

Dock, på grund av deras struktur och funktion, kvantdatorer har andra programmeringskrav än konventionella datorer. En föreslagen algoritm som antas vara användbar på tidiga kvantdatorer är den så kallade quantum approximate optimization algoritmen (QAOA). Chalmers forskargrupp har nu framgångsrikt kört denna algoritm på sin kvantdator - en processor med två qubits - och visat att den framgångsrikt kan lösa problemet med att tilldela flygplan till rutter. I denna första demonstration, resultatet kunde enkelt verifieras eftersom skalan var mycket liten - det omfattade bara två flygplan.

Potential för att hantera många flygplan

Med denna bedrift, forskarna var först med att visa att QAOA -algoritmen kan lösa problemet med att tilldela flygplan till rutter i praktiken. De lyckades också köra algoritmen en nivå längre än någon tidigare, en prestation som kräver mycket bra hårdvara och noggrann kontroll.

"Vi har visat att vi har förmågan att kartlägga relevanta problem till vår kvantprocessor. Vi har fortfarande ett litet antal qubits, men de fungerar bra. Vår plan har varit att först få allt att fungera mycket bra i liten skala, innan skalning, säger Jonas Bylander, senior forskare med ansvar för den experimentella designen och en av ledarna för projektet att bygga en kvantdator på Chalmers.

Teoretikerna i forskargruppen simulerade också att lösa samma optimeringsproblem för upp till 278 flygplan, som skulle kräva en kvantdator med 25 qubits. "Resultaten förblev bra när vi skalade upp. Detta tyder på att QAOA -algoritmen har potential att lösa denna typ av problem i ännu större skalor, säger Giulia Ferrini.

Att överträffa dagens bästa datorer skulle, dock, kräver mycket större enheter. Forskarna på Chalmers har nu börjat skala upp och arbetar för närvarande med fem kvantbitar. Planen är att nå minst 20 qubits år 2021 med bibehållen hög kvalitet.