Gegeven een lijst van steden en de afstanden tussen elk paar steden, hoe bepaal je de kortste route die elke stad precies één keer aandoet en terugkeert naar de startlocatie? Dit bekende probleem wordt het 'traveling salesman problem' genoemd en is een voorbeeld van een combinatorisch optimalisatieprobleem. Het oplossen van deze problemen met conventionele computers kan erg tijdrovend zijn, en hiervoor zijn speciale apparaten gemaakt die 'quantum annealers' worden genoemd.

Quantum-annealers zijn ontworpen om de laagste energietoestand (of grondtoestand) te vinden van wat bekend staat als een Ising-model. Dergelijke modellen zijn abstracte representaties van een kwantummechanisch systeem met op elkaar inwerkende spins die ook worden beïnvloed door externe magnetische velden. Eind jaren 90, wetenschappers ontdekten dat combinatorische optimalisatieproblemen kunnen worden geformuleerd als Ising-modellen, die op hun beurt fysiek kunnen worden geïmplementeerd in quantum-annealers. Om de oplossing voor een combinatorisch optimalisatieprobleem te verkrijgen, men hoeft alleen maar de grondtoestand te observeren die na korte tijd in de bijbehorende kwantumuitgloeier wordt bereikt.

Een van de grootste uitdagingen in dit proces is de transformatie van het logische Ising-model naar een fysiek implementeerbaar Ising-model dat geschikt is voor quantum-annealing. Soms, de numerieke waarden van de spin-interacties of de externe magnetische velden vereisen een aantal bits om ze weer te geven (bitbreedte) die te groot zijn voor een fysiek systeem. Dit beperkt de veelzijdigheid en toepasbaarheid van kwantumgloeiers op problemen in de echte wereld ernstig. Gelukkig, in een recente studie gepubliceerd in IEEE-transacties op computers , wetenschappers uit Japan hebben dit probleem aangepakt. Puur gebaseerd op wiskundige theorie, ze ontwikkelden een methode waarmee een bepaald logisch Ising-model kan worden omgezet in een equivalent model met een gewenste bitbreedte, zodat het past in een gewenste fysieke implementatie.

Hun aanpak bestaat uit het toevoegen van hulpspins aan het Ising-model voor problematische interacties of magnetische velden op een zodanige manier dat de grondtoestand (oplossing) van het getransformeerde model dezelfde is als die van het oorspronkelijke model, terwijl ook een kleinere bitbreedte vereist is. De techniek is relatief eenvoudig en geeft gegarandeerd een gelijkwaardig Ising-model met dezelfde oplossing als het origineel. "Onze strategie is de eerste ter wereld die het probleem van de reductie van de bitbreedte in de spin-interacties en magnetische veldcoëfficiënten in Ising-modellen efficiënt en theoretisch aanpakt, " merkt professor Nozomu Togawa van de Waseda University op, Japan, die de studie leidde.

De wetenschappers stelden hun methode ook op de proef in verschillende experimenten, wat de geldigheid ervan nog eens bevestigde. Prof. Togawa heeft hoge verwachtingen, en hij besluit met te zeggen:"De benadering die in deze studie is ontwikkeld, zal de toepasbaarheid van kwantumgloeiers vergroten en ze veel aantrekkelijker maken voor mensen die niet alleen met fysieke Ising-modellen te maken hebben, maar ook met allerlei combinatorische optimalisatieproblemen. Dergelijke problemen komen veel voor in cryptografie, logistiek, en kunstmatige intelligentie, tussen vele andere velden."