Author: Noa Cecilie Sæther

– For at kvantedatamaskiner skal komme til nytte, må de ha en viss fidelitet. De må være pålitelige og gjøre som vi forventer. Likevel skjer det flere feil, såkalt kvantestøy.

Det forteller PhD-kandidat Kristian Wold, som er på siste året av graden sin ved OsloMet. Det er nettopp denne støyen Wold forsker på.

– Ideelt er kvantekomputeren isolert fra omverdenen, og qubitene interagerer kun med hverandre når du vil. Problemet er at det lekker informasjon ut i omverdenen og mellom qubitene hele tiden. Det gjør at de beregningene som vi ønsker å gjøre på dem blir korrupte. Vi får ikke de svarene vi ønsker, forklarer han.

– Manipulerer naturen

– Fysikeren Richard Feynman sa at “for å skjønne noe, må du kunne bygge det”. Det jeg liker veldig godt med programmering er at det gir deg en følelse av at du bygger noe, forteller Wold.

Han tok en bachelorgrad i fysikk ved Universitetet i Oslo, der han også fikk øynene opp for programmering.

– Fysikk er en veldig fin, reduksjonistisk måte å prøve å forstå verden på. Å forstå de minste bestanddelene, og så bygge det videre opp. Jeg har alltid vært veldig glad i matematikk, og det går godt sammen med fysikken fordi disse fundamentene er veldig matematiske.

For å forstå naturen, må man forstå kvantefysikk. Kvantedatamaskiner handler derimot om å bruke naturen etter vår vilje, mener Wold.

– De siste tiårene har man gått fra å forsøke å forstå naturen til å forsøke å manipulere den, sier han.

– Diagnosen først

I dag undersøker Wold hvordan man kan modellere støyen og karakteristikkene ved den. Wold har blant annet bidratt til å utvikle metoden som kalles Quantum Process Tomography.

– Det betyr at vi ser på datamaskinen som en “black box” – vi vet ikke hva som foregår inni den. Ved å gi mange inputs og måle outputs, kan vi prøve å rekonstruere hva som skjer inni den. Da får vi et bilde av karakteristikken til støyen, og det viser seg at den er veldig kaotisk i en matematisk forstand.

Dette er et av hovedresultatene i tesen hans til nå. Det viser seg at støyen følger prediksjoner fra en matematisk verktøykasse som kalles Random Matrix Theory (RMT). Det kan kanskje si noe om hvordan støy kan bli mitigert i framtiden, mener Wold.

– Og da er spørsmålet: hva er kuren? Men vi fokuserer på diagnosen, for den kommer først. Kuren er et fremtidig mål.

Europeisk samarbeid

Store deler av forskningen gjør han sammen med DQUANT, et europeisk samarbeid om å forstå og modellere dagens kvantedatamaskiner med teori fra “åpne kvantesystemer”, altså kvantesystemer som er påvirket av miljøet rundt dem.

Deltakerne er lokalisert i Norge, Portugal, Tyskland, Polen og Slovenia, og Wold har særlig samarbeidet med kollegaer fra Portugal.

I mai har Wold planlagt en tur til Lisboa for å samarbeide på neste paper, der de viser til to funn.

For det første kan man bruke kvantedatamaskiner som et laboratorium for å skape spesielle kvanteeffekter man kjenner igjen fra teori. Dette kan for eksempel være kvantekaos, som betyr at systemet oppfører seg veldig irregulært, eller integrerbarhet, som betyr at systemet oppføre seg veldig forutsigbart og ordnet.

– Vi observerer at når kvantedatamaskinen kjører spesifikke algoritmer, eller kvantekretser, så kan det som skjer inni kvantedatamaskinen beskrives som en integrerbar prosess. Det er spennende, fordi det betyr at vi kan bruke kvantedatamaskiner som plattform for å få en dypere matematisk forståelse for disse og liknende fenomener.

For det andre observerer Wold at når man kjører en algoritme lenge nok, blir den resulterende dynamikken kaotisk uansett hvilken algoritme man bruker.

– Dette antyder at støyen som resulterer fra feilene i kvantedatamaskinen har en kaotisk natur, som igjen kan inspirere hvordan vi skal forstå støyen, og kanskje fjerne den.

Wold peker også på mange andre samarbeidsmuligheter i løpet av prosjektet.

– Vi jobber med eksperimental fysikk, ikke bare teori og numerikk. Det krever å faktisk ha tilgang på kvantedatamaskiner. Vi har ikke den vanvittig privilegerte adgangen til kvantedatamaskiner som de store labene har. Derfor har vi hatt mange samarbeid mye med blant annet Finland og Kina som har fungert godt.

– Blir nyttig ved hjelp av KI

Ved å ha funnet likhetene mellom RMT og ekte kvantestøy, håper Wold nå å inspirere til videre undersøkelser av kvantestøy.

– Vi har funnet ut at støy oppfører seg på karakteristiske måter som ikke var visst før, så kanskje det kan hjelpe oss med å forstå støyen bedre, og finne ut hvordan vi kan konstruere maskinvaren på en bedre måte. Da får vi kvantedatamaskiner med mindre støy, som forhåpentligvis er mer nyttige.

Også Google og Microsoft har forsket på kvantestøy, forteller Wold. Blant annet lanserte Google AlphaQubit, som skal gjøre “quantum error correction”. Det skal bidra til å minke kvantestøyen. Microsoft har også forsøkt å jobbe med topologiske qubits, som skal være veldig robuste mot støy, forklarer Wold.

Selv er han usikker på hva framtiden vil bringe, men han tror likevel at kvanteteknologi og kunstig intelligens er potensielle “game changers” som kommer til å ha stor innflytelse de neste årene.

– I retrospekt, fire år senere, må jeg innrømme at KI har beveget seg mye kjappere enn kvanteteknologi, så jeg tror at det vil bli definerende framover. Hvis kvanteteknologi blir nyttig, er det kanskje fordi vi finner ut hvordan vi kan nyttiggjøre den ved hjelp av KI.

Norges kvanteframtid

6. mai deltar Wold på seminaret “Norge og kvanteteknologi: hva skjer nå?” i samarbeid med Tekna. Seminaret skjer på OsloMet, med innspill fra Wold, Are Magnus Bruaset og Morten Hanshaugen.

Her vil Wold bidra med en praktisk demonstrasjon av kvantedatamaskiner og kvantecomputing, samt i en paneldiskusjon om Norges kvanteframtid.