Framtidens mjukvarusystem

Genom att kombinera världsledande expertis inom både datavetenskap och kvantfysik kommer Chalmers i ett nytt projekt att utveckla en komplett mjukvarustack för programmering av kvantdatorer.

Kvantvärlden – i skalan av atomer och lägre – är paradoxal och bisarr. Partiklar verkar vara samtidigt både här och där, eller mystiskt intrasslade på avstånd. Kvantteknologi handlar om att utnyttja dessa konstiga fenomen för att skapa helt ny teknik med extraordinära möjligheter.
– Vi bevittnar idag den andra kvantrevolutionen. Den första handlade om att få en förståelse för materiens grundläggande egenskaper baserad på kvantmekanik. Den andra handlar om förmågan att manipulera enskilda partiklar och deras fysiska interaktioner, att bygga nya teknologier och system som utnyttjar kvantfenomen som superposition och intrassling för tekniska tillämpningar. Detta öppnar nya möjligheter för informationsbehandling, förklarar professor Devdatt Dubhashi, Chalmers tekniska högskola.

Byggs upp av kvantbitar
Den förväntade fördelen med kvantdatorer jämfört med vanliga datorer ligger i de grundläggande byggstenarna. I vanliga datorer är den minsta informationsbäraren den bit som kan ta antingen värdet 0 eller 1.
– Däremot använder en kvantdator kvantbitar som kan vara både 0 och 1 på en gång, på grund av den kvantegenskap som kallas superposition. Fördelen kommer av att varje kvantbit kan representera två värden samtidigt, så det totala antalet möjliga samtidiga tillstånd fördubblas med varje adderad kvantbit. Redan 300 kvantbitar skulle kunna representera fler värden på en gång än det finns partiklar i hela universum. För att överträffa beräkningskraften i dagens superdatorer krävs det bara 50–60 välfungerande kvantbitar, förklarar Anton Frisk Kockum, Chalmers tekniska högskola.

Samverkan en förutsättning
Devdatt Dubhashi forskar på avdelningen för Data Science och AI, Institutionen för data- och informationsteknik, och Anton Frisk Kockum är forskare i kvantfysik på Wallenberg Centre for Quantum Technology.
– Ett av målen med projektet är att bygga en kraftfull forskningsmiljö i Sverige, här på Chalmers, som inte funnits tidigare, där datavetenskap och kvantfysik jobbar tillsammans för att utveckla programmering för en kvantdator. I internationella ansträngningar (som i Google Quantum AI-teamet) arbetar datavetare och kvantfysiker nära ihop sedan länge, förklarar Devdatt Dubhashi.

Vet inte nyttan ännu
I projektet ”QuantumStack: Programmering av kvantdatorn” kommer de att utveckla en komplett mjukvarustack som täcker hela skalan av uppgifter från applikationer, algoritmer och programmeringsspråk hela vägen till implementering på fysisk hårdvara.
– Exakt vilken användning man kan ha av en kvantdator vet man ännu inte, men de förutspås vara särskilt lämpade att lösa problem som innebär ett stort antal möjligheter, såsom beräkning av egenskaper hos stora molekyler, och eventuellt optimeringsproblem inom logistik eller maskininlärning, förklarar Anton Frisk Kockum.
Han konstaterar att det finns ett mycket stort intresse i världen för kvantdatorer och deras förmodade revolutionerande potential, men det är ännu mycket som återstår av forskning och utveckling.
– En av de uppgifter vi kommer att jobba med i projektet är att försöka hitta likheter och skillnader mellan kvantdatorer och vanliga datorer. Exempelvis vet man att algoritmerna som används i en kvantdator är annorlunda men samtidigt finns saker som är lika, så genom att identifiera likheter och skillnader så slipper vi börja helt från början.
För att testa om det de utvecklar i de olika stegen i mjukvarustacken fungerar kommer de att utvärdera de resulterande kvantprogrammen i simuleringar på en klassisk dator.

Bygger upp nytt team
Det var bara för ett par veckor sedan som de fick besked om att de fått ca 35 miljoner kronor av Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) till sitt projekt, och nu påbörjas arbetet med att anställa doktorander, postdoktorer och forskare som kan ta sig an uppgifterna.
– Det är redan ett antal nya som börjar på våra respektive institutioner för andra projekt och som också kommer att engageras i detta. Bland annat en forskare från MIT som kan ha nytta av våra resultat i sin egen forskning inom molekylärbyggnad, där en kvantdator förväntas ha en stor potential, förklarar Devdatt Dubhashi.

Klicka här för att läsa mer om Quantum Computing