Huvudpoäng
Enligt en färsk artikel i den ansedda tidskriften New Scientist kan man förbättra kvantdatorers prestanda utan att ständigt öka antalet kvantbitar (qubits) – genom att i stället införa kaos i systemen. Med andra ord har forskare upptäckt att kvantkaos kan utnyttjas för att skapa den slumpmässighet och komplexitet som annars hade krävt fler kvantbitar. Huvudpoängen är att kaotiska kvantprocesser kan göra en mindre kvantdator mer oberäknelig på ett nyttigt sätt, vilket ökar dess kapacitet att lösa komplexa problem eller generera äkta slumptal. Detta innebär att utvecklare av kvantdatorer inte enbart behöver fokusera på att bygga större datorer med fler kvantbitar, utan också kan dra nytta av kaotiska effekter för att förbättra beräkningsförmågan.
Kaos som verktyg i kvantberäkning
I kvantfysiken syftar kaos på system som beter sig extremt känsligt för små förändringar – ett kaotiskt kvantsystem utvecklas så att dess tillstånd snabbt blir oförutsägbart (liknande klassiskt kaos, fast inom kvantvärlden). Forskare har nu visat att man kan programmera kvantdatorer i kaotiska lägen för att utnyttja denna oförutsägbarhet som en resurs. Genom att låta kvantbitar interagera på ett invecklat sätt (t.ex. med speciella ”kaotiska” kvantkretsar) kan kvantdatorn generera användbar slumpmässighet internt. En praktisk demonstration av detta gjordes nyligen på IBMs moderna kvantdator: ett team från Algorithmiq och IBM lyckades simulera ett kaotiskt kvantfysikaliskt system med effektivitet genom att använda 91 kvantbitar i en dual-unitary-kvantkrets (en speciell typ av krets som uppvisar maximalt kaotiskt beteende). Trots att 91 kvantbitar användes i experimentet, kunde deras metod visa att kaotiska förlopp kan ge samma effekt som om man hade ännu fler kvantbitar, tack vare att kaoset skapar komplexa kvanttillstånd med hög entropi (mycket oordning). Genom att dessutom tillämpa brusreducering och felkorrigeringstekniker kunde forskarna hantera det ökade kaoset utan att resultaten bröts ned av störningar.
Betydelse för kvantdatorernas utveckling
Att kunna utnyttja kvantkaos på det här sättet är lovande för kvantdatorernas framtid. Det innebär att dagens relativt små kvantdatorer kan utföra mer avancerade uppgifter än man tidigare trott, genom smart programutformning i stället för enbart hårdvaruuppgradering. Forskare menar att detta tillvägagångssätt kan hjälpa kvantdatorer att tackla intrikata problem inom flera områden redan i det tidiga utvecklingsstadiet. Till exempel skulle kaosdrivna kvantberäkningar kunna bidra till:
- Väderprognoser och klimatmodeller: Kaotiska system är centrala i meteorologi, och en kvantdator som simulerar kaos skulle kunna hantera beräkningarna för komplexa, icke-linjära vädermodeller mer effektivt.
- Strömningsdynamik: Turbulens i vätskor och gaser är ett klassiskt kaotiskt problem. En kvantdator som utnyttjar kvantkaos kan potentiellt simulera turbulenta flöden och hjälpa ingenjörer att lösa hittills omöjliga beräkningsuppgifter.
- Materialvetenskap: Många egenskaper hos nya material beror på kaotiska växelverkningar på atomnivå. Kaosbaserad kvantsimulering kan ge insikter i superledare, magnetism och andra komplexa kvantfenomen som är svåra att beräkna med vanliga datorer.
Sammanfattningsvis understryker artikeln i New Scientist att ”mer kaos” kan bli ett alternativ eller komplement till ”fler kvantbitar” i jakten på kraftfullare kvantdatorer. Detta är tekniskt spännande eftersom det öppnar en ny väg att förbättra kvantdatorernas kapacitet utan att enbart förlita sig på hårdvarutillväxt. Om forskarsamhället lyckas tämja och kontrollera kvantkaos på rätt sätt, kan vi snabba på utvecklingen av kvantdatorer och lösa komplexa beräkningsproblem långt innan vi har tillgång till tusentals felfriade kvantbitar. Med kaos som verktyg kan nästa generation kvantdatorer bli både mer kraftfulla och mer praktiska än vad nuvarande hårdvarubegränsningar annars skulle tillåta.
