Mjukvaran som lyfter kvantdatorn

Kvantdatorer kräver inte bara extrem hårdvara, utan också smart mjukvara. I Chalmersprojektet QuantumStack utvecklas hela kedjan från algoritmer till styrsignaler – med nya genombrott som kan göra framtidens kvantdatorer betydligt mer skalbara.

För att kvantdatorer ska bli praktiskt användbara räcker det inte att bygga fler kvantbitar. Lika avgörande är mjukvaran som översätter människans programidéer till exakta elektriska signaler i den nedkylda kvantprocessorn.
Det är kärnan i SSF-projektet QuantumStack vid Chalmers tekniska högskola, lett av professor Devdatt Dubhashi. Projektet ska utveckla en komplett mjukvarustack för kvantdatorer, särskilt för den svenska kvantdator som byggs vid Chalmers.
– Vi tar oss an hela utmaningen uppifrån och ned, från applikationer och algoritmer, till programspråk och programramverk hela vägen ned till hårdvaran som byggs i just den här byggnaden på Chalmersområdet, berättar Devdatt Dubhashi.

Lager på lager på lager
I stackens översta lager finns tillämpningar, exempelvis för kemi, material och läkemedelsutveckling. Längre ned översätts dessa till instruktioner som fungerar på den faktiska hårdvaran – där kvantbitarna bara kan kopplas och styras på vissa sätt.
Ett nytt och uppmärksammat resultat gäller just denna översättning. I dagens supraledande kvantdatorer behövs många kablar ned i den extremt kalla kryostaten. Kablarna tar plats och leder in värme, vilket försvårar uppskalning. Chalmersforskare har nu visat att flera kvantbitar kan dela samma kabel utan att beräkningstiden ökar nämnvärt.
– Även om man betalar ett pris ifråga om hur lång tid det tar att köra ett program när man minskar antalet kablar är det priset väldigt lågt, säger Anton Frisk Kockum, universitetslektor som arbetar med teori som stöttar hårdvarusidan av kvantdatorutvecklingen på Chalmers.
Detta och andra resultat från forskarna har nu publicerats i forskningstidskriften PRX Quantum, och omfattar simuleringar av processorer med upp till omkring 1 000 kvantbitar.

Nästan som att spela Tetris
Anton Frisk Kockum beskriver arbetet som ett samspel mellan mjukvara och hårdvara. Genom att schemalägga styrsignalerna smart, nästan som ett Tetris-spel, kan signaler köas och skickas vidare via mikrovågsbrytare utan att kvantdatorn bromsas på det sätt många har befarat.
– Om man använder färre kablar kan datorn innehålla fler kvantbitar och då kan vi enkelt bygga större kvantdatorer än vad man hittills har trott, förklarar han.
En kvantbit är kvantdatorns motsvarighet till en vanlig databits etta eller nolla. Till skillnad från en vanlig bit kan den dock vara både 0 och 1 samtidigt, genom ett kvantfysikaliskt tillstånd som kallas superposition.

Fler kablar, sämre prestanda
Anledningen till att fler kablar försämrar kvantdatorns prestanda är att för mycket värme då sipprar in i datorn från utsidan, oavsett hur väl man försöker isolera genomföringarna. Detta är dåligt för kvantdatorer baserade på supraledande elektriska kretsar, som behöver tillstånd nära den absoluta nollpunkten (-273,15 °C) för att fungera optimalt.
Dessutom inkräktar kablarna på den tillgängliga fysiska ytan i kvantdatorbygget.
Utöver de positiva resultaten med färre kablar lyfter Devdatt Dubhashi fram andra framsteg. Hans grupp har utvecklat maskininlärningsmetoder för att förutsäga egenskaper hos kvantsystem med betydligt färre mätningar. Det kan minska behovet av dyra och tidskrävande experiment, exempelvis när kvantdatorer används för att förstå molekyler eller material.
– Det är viktigt, eftersom kvantexperiment kan vara väldigt kostsamma och svåra, förklarar professor Dubhashi.

Samspel mellan hårdvara och mjukvara
För Anton Frisk Kockum är just helheten central. Kvantdatorn måste inte bara byggas – den måste kunna programmeras, styras och användas på ett sätt som tar hänsyn till dess fysiska begränsningar.
– Vi samarbetar med forskarna som bygger hårdvaran, och vi anpassar mjukvaran till hårdvaran så att allting fungerar smidigt, sammanfattar han.
QuantumStack har beviljats nära 35 miljoner kronor av SSF och löper till 2028. Syftet är att förbättra flera nivåer av mjukvarustacken och därmed föra praktiskt användbara kvantdatorer närmare verkligheten.