Wetenschappers van de Universiteit van Linköping hebben laten zien hoe een kwantumcomputer echt werkt en zijn erin geslaagd om kwantumcomputereigenschappen in een klassieke computer te simuleren. "Onze resultaten zouden van groot belang moeten zijn bij het bepalen van het bouwen van kwantumcomputers, " zegt professor Jan-Åke Larsson.

De droom van supersnelle en krachtige kwantumcomputers is opnieuw in beeld gebracht, en er zijn grote middelen geïnvesteerd in onderzoek in Zweden, Europa en de wereld. Binnen tien jaar moet er een Zweedse kwantumcomputer worden gebouwd, en de EU heeft kwantumtechnologie aangewezen als een van haar vlaggenschipprojecten. Momenteel, er zijn weinig bruikbare algoritmen beschikbaar voor kwantumcomputers, maar er wordt verwacht dat de technologie enorm belangrijk zal zijn in simulaties van biologische, chemische en fysische systemen die veel te ingewikkeld zijn voor zelfs de krachtigste computers die momenteel beschikbaar zijn. Een bit in een computer kan alleen de waarde één of nul aannemen, maar een kwantumbit kan alle tussenliggende waarden aannemen. Simpel gezegd, dit betekent dat kwantumcomputers niet zoveel bewerkingen hoeven uit te voeren voor elke berekening die ze uitvoeren.

Twee vrijheidsgraden

Professor Jan-Åke Larsson en zijn promovendus Niklas Johansson, bij de afdeling Informatiecodering van de afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Linköping, hebben begrepen wat er in een kwantumcomputer gebeurt en waarom deze krachtiger is dan een klassieke computer. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Entropy.

"We hebben laten zien dat het grote verschil is dat kwantumcomputers twee vrijheidsgraden hebben voor elke bit. Door een extra vrijheidsgraad te simuleren in een klassieke computer, we kunnen sommige algoritmen met dezelfde snelheid uitvoeren als in een kwantumcomputer, " zegt Jan-Åke Larsson.

Ze hebben een simulatietool gebouwd, Kwantumsimulatielogica, QSL, waarmee ze de werking van een kwantumcomputer in een klassieke computer kunnen simuleren. De simulatietool bevat een, en slechts één, eigenschap die een kwantumcomputer heeft die een klassieke computer niet heeft:één extra vrijheidsgraad voor elk bit dat deel uitmaakt van de berekening.

"Dus, elk bit heeft twee vrijheidsgraden:het kan worden vergeleken met een mechanisch systeem waarin elk onderdeel twee vrijheidsgraden heeft:positie en snelheid. In dit geval, we hebben te maken met rekenbits - die informatie bevatten over het resultaat van de functie, en fasebits - die informatie bevatten over de structuur van de functie, " legt Jan-Åke Larsson uit.

Kwantumalgoritmen

Ze hebben de simulatietool gebruikt om enkele van de kwantumalgoritmen te bestuderen die de structuur van de functie beheren. Verschillende van de algoritmen werken in de simulatie net zo snel als in een kwantumcomputer.

"Het resultaat laat zien dat de hogere snelheid in kwantumcomputers voortkomt uit hun vermogen om op te slaan, verwerken en ophalen van informatie in één extra informatiedragende vrijheidsgraad. Hierdoor kunnen we beter begrijpen hoe kwantumcomputers werken. Ook, deze kennis moet het makkelijker maken om kwantumcomputers te bouwen, omdat we weten welke eigenschap het belangrijkst is om de kwantumcomputer te laten werken zoals verwacht, " zegt Jan-Åke Larsson.

Jan-Åke Larsson en zijn medewerkers hebben hun theoretische simulaties ook aangevuld met een fysieke versie gebouwd met elektronische componenten. De poorten zijn vergelijkbaar met die in kwantumcomputers, en de toolkit simuleert hoe een kwantumcomputer werkt. Met zijn hulp studenten, bijvoorbeeld, kan simuleren en begrijpen hoe kwantumcryptografie en kwantumteleportatie werken, en ook enkele van de meest voorkomende kwantumcomputeralgoritmen, zoals Shor's algoritme voor factorisatie. (Het algoritme werkt in de huidige versie van de simulatie, maar is even snel of langzaam als in klassieke computers).