Een van de uitdagingen voor het werken met quantumcomputers is het bedenken van algoritmes die echt voordeel halen uit een quantumcomputer ten opzichte van een klassieke computer. Wetenschappers in Zweden hebben met nieuw onderzoek weer een tipje van de sluier weten op te lichten.
De onderzoekers van de universiteit van Linköping hebben door middel van simulatietechnieken laten zien hoe ze een bepaald soort quantumcomputer moeten bouwen om ook daadwerkelijk van nut te zijn voor specifieke algoritmes.
Een van de belangrijkste verschillen tussen klassieke en quantumcomputers is dat ze twee vrijheidsgraden hebben voor elke bit. Door deze extra vrijheidsgraad te simuleren op een klassieke computer, wisten de onderzoekers specifieke algoritmes met dezelfde snelheid uit te voeren als gelukt zou zijn met een quantumcomputer.
Met behulp van een zelf ontwikkelde simulatietool Quantum Simulation Logic of QSL kon die specifieke uitvoer op een klassieke computer gedaan worden. De simulatietool doet maar een ding dat een normale computer niet doet, namelijk een extra vrijheidsgraad aan elk bit dat onderdeel van de berekening is, toevoegen.
Professor Jan-Åke Larsson legt het als volgt uit: ‘Elk bit heeft twee vrijheidsgraden en het kan vergeleken worden met een mechanisch systeem waarin elk onderdeel twee vrijheidsgraden heeft, zoals positie en snelheid. In dit geval hebben we te maken met ‘rekenbits’ of computation bits, die informatie meedragen over het resultaat van de functie. Ook zijn er ‘fasebits’ of phase bits, die informatie hebben over de structuur van de functie.’
Quantum-algoritme
Ze hebben de simulatietool gebruikt om bepaalde quantum-algoritmes te bestuderen die de structuur van de functie beheren, dus de ‘fasebits’. Bepaalde van die algoritmes draaien in een simulatie net zo snel als ze zouden doen op een quantumcomputer.
Met dit resultaat kunnen de onderzoekers aantonen waar de hogere snelheid in quantumcomputers vandaan komt, namelijk van de mogelijkheid om informatie op te slaan, te verwerken en te verkrijgen in een additionele informatiedragende vrijheidsgraad. Die kennis moet het volgens Larsson makkelijker maken om quantumcomputers te bouwen omdat we zo weten welke eigenschap het belangrijkst is voor zo’n computer om te werken zoals verwacht.
De onderzoekers bouwden niet alleen een theoretische simulatie, maar bouwden ook een fysieke versie met elektronische componenten. In deze opstelling waren de gates vergelijkbaar aan hoe die in quantumcomputers functioneren. Deze opstelling is ook bruikbaar voor onderzoek en onderwijs om te leren hoe quantumcryptografie en quantumteleportatie functioneren.
De bekendste toepassing van quantumcomputing werkt uiteraard ook in de opstelling, namelijk het ontbinden in factoren met behulp van het Shor-algoritme voor het ontbinden in priemfactoren.
