13.5.2020
Finländska forskare visar hur brus påverkar kvantdatorer
Forskare från CSC – IT Center for Science, Aalto-universitetet och Åbo Akademi samt deras samarbetspartners vid Boston University, USA, har för första gången visat hur brus på ett systematiskt sätt påverkar kvantdatorer. Resultaten publicerades i den prestigefyllda journalen Physical Review Letters.
I en traditionell dator bryts all data ner till sekvenser av bitar som antar värdena 0 eller 1. Dessa motsvarar tillstånd av ”på” eller ”av” i de miljoner av små elektriska strömbrytare som finns i datorns processor och minne.
Enligt kvantmekaniska principer kan begreppet bit generaliseras till en qubit, som kan anta ett tillstånd av både 0 och 1 samtidigt på många olika sätt – en sammanflätning. En kvantdator kan byggas med ett stort antal av dessa qubitar, som måste programmeras med helt nya algoritmer och språk.
En stor utmaning är att qubitar är väldigt känsliga för brus som snabbt kan förstöra deras tillstånd av kvantsammanflätning. Livstiden på ett tillstånd av sammanflätning är väldigt kort – ofta mindre än en mikrosekund – även om man kyler ned apparaterna till bara en bråkdel av en grad ovanför den absoluta nollpunkten.
Man fryser problemets lösning
Med en sorts kvantdator tillverkad av det kanadensiska företaget D-Wave Systems kan ett brett spektrum av optimeringsproblem lösas genom principen av så kallad kvantglödgning (eng. quantum annealing). Här förändras kvantegenskapen hos qubitarna gradvis på ett sätt som gör att de till slut ”kvantfryser” till en lösning på det problem som programmerats in i datorn.
Den här processen är känslig för brus på ett sätt som man tidigare saknat insikt i. Nu har en grupp forskare från tre finländska organisationer (CSC, Aalto-universitetet och Åbo Akademi) och deras samarbetspartners vid Boston University i USA för första gången visat hur brus på ett systematiskt sätt påverkar en beräkning. Genom att variera tiden för hur länge qubitarnas kvantegenskaper förändras (från mikrosekunder till millisekunder) och studera olika mängder av parade qubitar i en D-Wave-dator, kunde de slå fast en generell princip för felberäkningar.
Enligt kvantglödgningens grundprincip borde en längre beräkningstid ge ett bättre resultat, men forskarna fann att bruset har en större negativ påverkan på resultatet om tiden är längre. De förklarade detta med en matematisk modell, som kommer att vara ett användbart verktyg för att diagnostisera kvantglödgande anordningar i framtiden och hitta de bästa sätten att använda dem.
Enligt Jan Westerholm, professor i datateknik vid Åbo Akademi, kan kvantglödgande anordningar snart, så fort mängden brus ytterligare minskats, bli viktiga verktyg för att simulera materiens kvantbeteende.
– Gruppens framgångsrika arbete representerar den första stora finländska forskningssatsningen på den kvantglödgande paradigmen i kvantdatorer, säger Westerholm.
– Kvantglödgningdatorn ger oss möjlighet att inom vissa ramar konstruera tidigare orealiserade kvantmekaniska system som sedan utvecklas enligt kvantmekanikens principer. I våra experiment har vi kunnat precisera dessa system med hjälp av brusfaktorer som förklarar varför resultatet från kvantglödgningen inte alltid är det perfekta.
Artikeln:
Phillip Weinberg, Marek Tylutki, Jami M. Rönkkö, Jan Westerholm, Jan A. Åström, Pekka Manninen, Päivi Törmä, and Anders W. Sandvik: ”Scaling and Diabatic Effects in Quantum Annealing with a D-Wave Device”. Phys. Rev. Lett. 124, 090502 – publicerad 5 mars 2020. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.090502