Quantumcomputers zijn er al in geslaagd om gewone computers te overtreffen bij het oplossen van bepaalde taken - helaas, totaal nutteloze. De volgende mijlpaal is om ze nuttige dingen te laten doen. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben nu aangetoond dat ze een klein deel van een echt logistiek probleem kunnen oplossen met hun kleine, maar goed werkende kwantumcomputer.

De belangstelling voor het bouwen van kwantumcomputers is de afgelopen jaren enorm toegenomen, en koortsachtig werk is aan de gang in vele delen van de wereld. in 2019, Het onderzoeksteam van Google maakte een grote doorbraak toen hun kwantumcomputer erin slaagde een taak veel sneller op te lossen dan 's werelds beste supercomputer. Het nadeel is dat de opgeloste taak geen enkel praktisch nut had - er werd voor gekozen omdat het gemakkelijk op te lossen werd geacht voor een kwantumcomputer, maar erg moeilijk voor een conventionele computer. Daarom, een belangrijke taak is nu om nuttige, relevante problemen die buiten het bereik van gewone computers liggen, maar die een relatief kleine kwantumcomputer zou kunnen oplossen.

"We willen er zeker van zijn dat de kwantumcomputer die we ontwikkelen in een vroeg stadium relevante problemen kan helpen oplossen. we werken nauw samen met industriële bedrijven, " zegt theoretisch natuurkundige Giulia Ferrini, een van de leiders van het kwantumcomputerproject van de Chalmers University of Technology, die in 2018 begon.

Samen met Göran Johansson, Giulia Ferrini leidde het theoretische werk toen een team van onderzoekers van Chalmers, waaronder een industriële doctoraatsstudent van het luchtvaartlogistiekbedrijf Jeppesen, toonde onlangs aan dat een kwantumcomputer een echt probleem in de luchtvaartindustrie kan oplossen.

Alle luchtvaartmaatschappijen hebben te maken met planningsproblemen. Bijvoorbeeld, het toewijzen van individuele vliegtuigen aan verschillende routes vormt een optimalisatieprobleem dat zeer snel in omvang en complexiteit groeit naarmate het aantal routes en vliegtuigen toeneemt. Onderzoekers hopen dat kwantumcomputers uiteindelijk beter in staat zullen zijn om met dergelijke problemen om te gaan dan de huidige computers. De basisbouwsteen van de kwantumcomputer - de qubit - is gebaseerd op totaal andere principes dan de bits van conventionele computers, waardoor ze enorme hoeveelheden informatie kunnen verwerken met relatief weinig qubits.

Echter, vanwege hun structuur en functie, kwantumcomputers hebben andere programmeervereisten dan conventionele computers. Een voorgesteld algoritme waarvan wordt aangenomen dat het nuttig is op vroege kwantumcomputers, is het zogenaamde kwantum-benaderingsoptimalisatie-algoritme (QAOA). Het onderzoeksteam van Chalmers heeft dit algoritme nu met succes uitgevoerd op hun kwantumcomputer - een processor met twee qubits - en heeft aangetoond dat het het probleem van het toewijzen van vliegtuigen aan routes met succes kan oplossen. In deze eerste demonstratie het resultaat kon gemakkelijk worden geverifieerd omdat de schaal erg klein was - er waren slechts twee vliegtuigen bij betrokken.

Potentieel om veel vliegtuigen te behandelen

Met deze prestatie, de onderzoekers toonden als eersten aan dat het QAOA-algoritme het probleem van het toewijzen van vliegtuigen aan routes in de praktijk kan oplossen. Ze slaagden er ook in om het algoritme een niveau verder te laten lopen dan wie dan ook, een prestatie die zeer goede hardware en nauwkeurige controle vereist.

"We hebben laten zien dat we in staat zijn om relevante problemen op onze kwantumprocessor in kaart te brengen. We hebben nog een klein aantal qubits, maar ze werken goed. Ons plan was om eerst alles heel goed te laten werken op kleine schaal, alvorens op te schalen, " zegt Jonas Bylander, senior onderzoeker verantwoordelijk voor het experimentele ontwerp en een van de leiders van het project voor het bouwen van een kwantumcomputer bij Chalmers.

De theoretici in het onderzoeksteam simuleerden ook het oplossen van hetzelfde optimalisatieprobleem voor maximaal 278 vliegtuigen, waarvoor een kwantumcomputer met 25 qubits nodig zou zijn. "De resultaten bleven goed terwijl we opschaalden. Dit suggereert dat het QAOA-algoritme het potentieel heeft om dit soort problemen op nog grotere schaal op te lossen, ' zegt Giulia Ferrini.

De beste computers van vandaag overtreffen zou, echter, veel grotere apparaten nodig. De onderzoekers van Chalmers zijn inmiddels begonnen met opschalen en werken momenteel met vijf quantumbits. Het plan is om in 2021 minimaal 20 qubits te halen met behoud van de hoge kwaliteit.