Maskiner som ska ge bästa lösningen på svårlösta problem  

Johan Åkerman vill som Wallenberg Scholar bygga Ising-maskiner för att lösa problem med ofantligt många parametrar och möjligheter, så kallade kombinatoriska optimeringsproblem.

Handelsresandeproblemet är ett klassiskt problem inom optimering som går ut på att hitta den kortaste vägen för en handelsresande mellan ett antal olika städer. Problemet är ett så kallat kombinatoriskt optimeringsproblem som kännetecknas av att det väldigt snabbt blir omöjligt att lösa när antalet delar som ska optimeras växer. En handelsresande som vill besöka 5 städer kan göra detta på 12 olika sätt, men om han vill besöka 21 städer över 10¹⁸ olika sätt att göra det på. Om det tar en sekund att mäta längden på en sådan sträcka, skulle inte ens universums ålder räcka för att gå igenom alla. 

Knäcker kryptering

Ett annat lika svårt problem är att hitta primtalsfaktorerna i riktigt stora heltal, vilket är grunden för alla publika krypteringsprotokoll. Krypteringen kan knäckas om man lyckas ta reda på vilka primtalen är.
Enorma resurser läggs i dag på kvantdatorer för att lösa de kombinatoriska optimeringsproblemen, men det är fortfarande väldigt svårt att bygga en användbar kvantdator.

– Därför har jag och andra forskare tittat på att göra beräkningar med fysiska system som drar nytta av sina inneboende parallella egenskaper. Nätverk av växelverkande svängningskretsar, oscillatorer, kan lösa en lång rad kombinatoriska optimeringsproblem lika effektivt som kvantdatorer, säger Johan Åkerman, professor i experimentell fysik på Institutionen för fysik vid Göteborgs universitet. 

Två olika Ising-maskiner

I dessa nätverk, som av historiska anledningar kallas för Ising-maskiner, växelverkar alla oscillatorer med varandra och synkroniserar med sina grannar antingen i fas eller i motfas. Genom att dels styra om deras koppling är i fas eller i motfas, dels styra hur starkt de olika oscillatorerna kopplar till varandra, kommer nätverket att försöka hitta det tillstånd som gör att alla oscillatorer kopplar så optimalt som möjligt till sina grannar. Sluttillståndet är just lösningen till det kombinatoriska problem som definieras av de olika kopplingsstyrkorna.

Johan Åkerman vill använda två olika sätt för att bygga Ising-maskiner. Den första maskinen bygger på hans världsledande forskning inom stora nätverk av så kallade spin-Hall-nano-oscillatorer. Den andra sorten bygger på forskarnas senaste resultat inom spinnvågspulser, som kan fungera som byggstenar i en Ising-maskin. Forskargruppen studerar sedan Ising-maskinerna med två världsunika spinnvågsmikroskop som kan mäta det individuella tillståndet i varje nod i Ising-maskinen. 

– De här två Ising-maskinerna kan bli mycket kraftfullare. Vi hoppas kunna ge Sverige en tätposition i den nya beräkningsteknologin, säger Johan Åkerman.