Physics-inspired solutions to computationally hard problems : advances in photonic quantum computing and ising machines

Robbe De Prins

Published Jan 1, 2026• 0 citations

Abstract

Deze PhD onderzoekt gespecialiseerde hardware om computationeel moeilijke problemen efficiënter op te lossen. Het werk richt zich op twee veelbelovende technologieën: fotonische kwantumcomputers en Ising-machines. Beide systemen verankeren computationele taken direct in hun dynamica, waardoor hun natuurlijke evolutie deze taken oplost. Deze vormen van rekenen bieden energiezuinige en schaalbare alternatieven voor traditionele digitale hardware. Het eerste deel draagt bij aan fotonische kwantumcomputing door efficiëntere klassieke algoritmen te ontwikkelen die realistische simulaties en optimalisaties mogelijk maken van lineaire optische circuits met fotonenteldetectoren. Dergelijke circuits worden gebruikt om niet-Gaussische kwantumtoestanden te genereren, zoals GKP-toestanden, die bijvoorbeeld dienen als bouwstenen voor universele kwantumcomputers. Verder introduceren we recurrente Gaussische kwantumnetwerken die tijdreeksen van kwantumtoestanden kunnen verwerken en beter presteren op diverse kwantummechanische communicatietaken. Het tweede deel onderzoekt analoge Ising-machines om combinatorische optimalisatieproblemen op te lossen. Dergelijke problemen zijn alomtegenwoordig in wetenschap en industrie. We identificeren een superieure methode om de verhoudingen tussen interne interacties en externe velden beter te beheersen, een prestatiebepalende balans die vaak ontbreekt in analoge Ising-machines. We breiden deze conclusies uit naar hogere-orde Ising-machines, die bijzonder geschikt zijn voor industrieel relevante ‘vervulbaarheidsproblemen’. Tot slot stellen we een efficiëntere manier voor om Max-3-Cut-problemen in Ising-machines te representeren, wat hun oplossingsprestaties verhoogt.

Related papers

Kwantumberekening : research and review article

Johannes Heidema, Petrus H. Potgieter, Willem L. Fouché

Daar is geen gebrek aan dekking in die laaste paar jaar in wetenskaplike joernale van die onderwerp van kwantumberekening nie. Tereg ook, want dit is 'n nuwe idee met - tot sover- minstens een baie belangrike praktiese toepassing (ontbinding in priemfaktore) sodra die tegnologie redelik omvattende berekenings kan hanteer. Die belangstelling in kwantumverwerking is aangevuur deur beide die besef dat die toenemende miniaturisering noodwendig rekenaarwetenskaplikes met kwantumverskynsels sal konfronteer, en deur die begryp van die potensiaal van massief parallelle verwerking deur die gebruik maak van die Hilbert-ruimtevoorstelling van kwantumstelsels en die spesiale eienskappe van kwantumverstrengeling. Die onderwerp le by die sameloop van fisika, rekenaarwetenskap en wiskunde en hierdie bydrae verken die idees van die drie gebiede wat die belangrikste rol in kwantumberekening speel en besin oor die definisies van en die waarskynlike gebruik vir kwantumverwerking asook sy verhouding tot die klassieke berekeningskompleksiteit. Ten slotte word 'n uitgebreide geannoteerde bibliografie verskaf as gids vir die geinteresseerde leser tot die literatuur in die onderwerp. End Quantum computing There has been no lack of coverage in the past few years in scientific journals of the topic of quantum computation. Rightly so, as this is a novel idea with-so far-at least one very important practical application (prime factorisation) as soon as the technology can accommodate reasonably sized computations. Interest in quantum computing has been sparked by both the realization that increasing miniaturisation will eventually bring computer scientists face-to-face with quantum effects, and by the grasping of the potential for massive parallelism inherent in the Hilbert space representation of quantum systems and in the special effects of quantum entanglement. The topic lies at the confluence of physics, computer science and mathematics and this contribution reviews the ideas from these three fields that play the most important role in quantum computation and reflects on the definitions of and prospective use for quantum computing as well as its relation to classical computational complexity. Finally, an extended annotated bibliography is provided as a guide for the interested reader to the literature in the subject. End

Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en TegnologieSep 1, 20050 citations

Kwantumberekening

J. Heidema, Petrus H. Potgieter, W. L. Fouch ́ e

Daar is geen gebrek aan dekking in die laaste paar jaar in wetenskaplike joernale van die onderwerp van kwantumberekening nie. Tereg ook, want dit is ’n nuwe idee met—tot sover—minstens ´ e´ en baie belangrike praktiese toepassing (ontbinding in priemfaktore) sodra die tegnologie redelik omvattende berekenings kan hanteer. Die belangstelling in kwantumverwerking is aangevuur deur beide die besef dat die toenemende miniaturisering noodwendig rekenaarwetenskaplikes met kwantumverskynsels sal konfronteer, en deur die begryp van die potensiaal van massief parallelle verwerking deur die gebruik maak van die Hilbert-ruimtevoorstelling van kwantumstelsels en die spesiale eienskappe van kwantumverstrengeling. Die onderwerp lˆ e by die sameloop van ﬁsika, rekenaarwetenskap en wiskunde en hierdie bydrae verken die idees van di´ e drie gebiede wat die belangrikste rol in kwantumberekening speel en besin oor die deﬁnisies van en die waarskynlike gebruik vir kwantumverwerking asook sy verhouding tot die klassieke berekeningskompleksiteit. Ten slotte word ’n uitgebreide geannoteerde bibliograﬁe verskaf as gids vir die ge¨ ınteresseerde leser tot die literatuur in di´ e onderwerp.AbstractQuantum computing There has been no lack of coverage in the past few years in scientiﬁc journals of the topic of quantum computation. Rightly so, as this is a novel idea with—so far—at least one very important practical application (prime factorisation) as soon as the technology can accommodate reasonably sized computations. Interest in quantum computing has been sparked by both the realization that increasing miniaturisation will eventually bring computer scientists face-to-face with quantum effects, and by the grasping of the potential for massive parallelism inherent in the Hilbert space representation of quantum systems and in the special effects of quantum entanglement. The topic lies at the conﬂuence of physics, computer science and mathematics and this contribution reviews the ideas from these three ﬁelds that play the most important role in quantum computation and reﬂects on the deﬁnitions of and prospective use for quantum computing as well as its relation to classical computational complexity. Finally, an extended annotated bibliography is provided as a guide for the interested reader to the literature in the subject.

Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en TegnologieSep 23, 20051 citation

Regulering van quantumtechnologie

B.H.M. Custers

Momenteel gaat veel aandacht uit naar de regulering van AI, maar achter de horizon ligt al een nieuwe technologie te wachten: quantumtechnologie.Quantumsensoren, quantum computing en quantum com mu ni catie zijn volop in ontwikkeling en sommige toepassingen vinden al hun weg naar de praktijk.Deze nieuwe technologie kan een enorme bijdrage leveren aan de wetenschap en maatschappij, bijvoorbeeld door extreem nauwkeurige sensoren, door rekenkracht die biljoenen keren sneller is dan conven tionele (elektronische) computers en door zeer snelle en veilige communicatienetwerken.Naast deze kansen zijn er ook risico's die wellicht vragen om regulering.In deze bijdrage wordt ingegaan op de vraag in hoeverre quantum techno logie (nu al) regulering behoeft.1 Inleiding Kunstmatige intelligentie (AI) is momenteel een hype en in veel landen gaan er enorme onderzoeksbudgetten naar AI-onderzoek. 1 De ontwikkelingen rondom generatieve AI, zoals ChatGPT, zijn verbluffend.Maar terwijl iedereen het heeft over AI, dienen zich alweer nieuwe technologieën aan.Iets meer op de achtergrond (althans in de media) zijn de ontwikkelingen op het gebied van quantum techno logie, waarop de aflopen jaren veel vooruitgang is geboekt.Op het terrein van quantum sen soren en quantumcom mu ni catie zijn de eerste toepassingen reeds in gebruik.Quantum computing, een andere grote belofte in dit domein, kan naar verwachting in 5-10 jaar in de praktijk worden gebruikt.2 Hoewel quantum com pu ters momenteel nog niet praktisch toegepast kunnen worden, dragen ze de belofte van enorme rekenkracht.Ze kunnen biljoenen keren sneller rekenen dan conven tionele (elektronische) computers.Quantum com pu ters zouden een trendbreuk zijn in de beroemde Wet van Moore die stelt dat de rekenkracht op microchips elk jaar ruwweg verdubbelt.3 Wetenschappers kunnen hiermee steeds grotere hoeveelheden data analyseren,

Apr 1, 20260 citations

A tensor network perspective on topological and other quantum phases

Lander Burgelman

Al meer dan een eeuw lang is het begrijpen van het gedrag van systemen van vele onderling interagerende deeltjes de centrale uitdaging in de fysica. Zelfs wanneer de wetten die de beweging van de individuele deeltjes beschrijven goed begrepen zijn, geeft het samenbrengen van veel van deze deeltjes aanleiding tot zeer complex emergent gedrag dat fundamenteel moeilijk te doorgronden is. Verschillende realisaties van zowel klassieke als kwantum systemen met verschillende emergente eigenschappen leiden heel natuurlijk tot het idee van faseovergangen die verschillende fasen van materie scheiden. Deze verschillende fasen hebben verschillende eigenschappen die relevant zijn voor een breed scala aan toepassingen, van het begrijpen van de fundamentele wetten van de natuur tot het uitvoeren van computationele taken di onmogelijk zijn voor klassieke computers. Naïeve simulatietechnieken worden al snel volledig onhaalbaar voor elk systeem van een meer of minder realistische grootte. Dit legt een fundamentele behoefte aan benaderende methoden om deze systemen te bestuderen bloot. Gedurende de afgelopen decennia zijn tensor netwerk methoden naar voren gekomen als krachtige hulpmiddelen die specifiek gericht zijn op de verstrengelingsverdeling en symmetrie-eigenschappen van relevante toestanden. In dit doctoraatsonderzoek worden tensor netwerk parametrisaties die de fundamentele eigenschappen van een systeem expliciet encoderen toegepast in verchillende contexten. De toepassingen gaan van het onderzoeken van de stabiliteit van topologische kwantumcomputers, over het bestuderen van kritische fenomenen in statistische mechanica, tot het simuleren van rooster-ijktheorieën.

Jan 1, 20250 citations

A review of the measurement problem in quantum mechanics

I B Pittaway

Kwantummeganika is 'n uiters suksesvolle teorie, maar ten spyte daarvan strook dit nie met ons ervaring op die makroskopiese of klassieke vlak nie.Hierdie spanning tussen die kwantum en klassieke wêrelde en die oorgang tussen hulle word na verwys as die meetprobleem.Hier gee ons 'n oorsig van die meetprobleem in die konteks van die dubbel spleet eksperiment.Ons definieer aan die hand hiervan die probleem en identifiseer twee hoof aspekte, naamlik die probleem van makro-objektiwiteit, die afwesigheid van superposisie van makroskopiese voorwerpe, en die probleem van uitkomste, die seleksie van 'n enkele uitkoms by die meting van 'n superposisie.Drie verdere verwante, en meer tegniese, probleme is ook geidentifiseer.'n Gedetaileerde oorsig word gegee van die omgewings dekoherensie en die dinamiese reduksie programme aangesien hulle algemeen as die mees realistiese benaderings tot die metings probleem gesien word.Omgewings dekoherensie kom voor wanneer 'n stelsel swak met die omgewing wisselwerk en die dinamiese reduksie program behels nie-lineêre stogastiese wysigings tot die Schrödinger vergelyking wat die natuurlike reduksie van die golffunksie teweeg bring.Ons merk an dat beide programme die invoering van eksterne, bykomende vryheidsgrade behels, die omgewing in die geval van dekoherensie en 'n bykomende stogastiese veld in die geval van dinamiese reduksie.Hierdie gemeenskaplikheid word ook kortliks gedemonstreer en bespreek.

Mar 1, 20211 citation

Het PQC-migratie handboek : Richtlijnen voor het migreren naar post-quantumcryptografie

Dit handboek ondersteunt organisaties met concrete stappen en advies om de dreiging van quantumcomputersvoor cryptografie te beperken. Het moment waarop quantumcomputers een dreiging zullen vormenvoor momenteel gebruikte cryptografie is onvoorspelbaar. Toch moeten bepaalde organisaties nu al aan oplossingenwerken vanwege het risico dat quantumcomputers met zich meebrengen. Bijvoorbeeld organisatiesdie data verwerken die zelfs over 20 jaar nog vertrouwelijk moeten blijven of die systemen met een langelevensduur ontwikkelen. De meest veelbelovende oplossing is de zogenaamde post-quantumcryptografie(PQC). PQC kan draaien op nagenoeg dezelfde systemen die nu in gebruik zijn en is veilig tegen quantumcomputers.Migreren naar PQC kost echter bijzonder veel tijd en middelen. Afgaande op eerdere migratieskan dit ruim meer dan vijf jaar in beslag nemen.Organisaties dienen daarom nu al te beginnen zich op de quantum-dreiging voor te bereiden. Als eersteno-regret move zou elke organisatie al een PQC-diagnose moeten uitvoeren. Deze eerste stap is bedoeld omte bepalen welke houding een organisatie moet aannemen op basis van het soort gegevens dat ze verwerkten haar risico-oppervlak. Verder is het aan te raden een inventarisatie te maken van alle gebruikte cryptografischetechnieken, van de data die ze beschermen en van wie deze assets beheert. Alleen dan kan eenorganisatie de mate van urgentie correct inschatten. Deze inventarisatie verkleint later ook het risico op eenoverhaaste, foutgevoelige migratie die in de toekomst onnodige kosten en risico's met zich zou meebrengen.Het is voor elke organisatie nuttig om een dergelijke inventarisatie te maken en up-to-date te houden, aangezienelke organisatie vroeg of laat zal moeten migreren.Na deze eerste stap richt het handboek zich tot de zogenaamde urgente adopters, organisaties die daadwerkelijkzo snel mogelijk met de migratie moeten starten omdat ze anders over twintig jaar onaanvaardbarerisico's lopen. De volgende twee stappen van de migratie bestaan uit het plannen en het uitvoeren van demigratie. In de planningsfase is het belangrijk om een speciaal team te vormen om de migratie uit te voerenen ervoor te zorgen dat er bedrijfsprocessen actief zijn om de migratie soepel te laten verlopen. Vanuittechnisch oogpunt kunnen organisaties PQC op verschillende manieren implementeren. Voor momenteelgebruikte systemen is mogelijk niet elke PQC-oplossing geschikt. Dit handboek geeft concrete handvattenvoor het kiezen van een geschikte implementatiestrategie voor PQC, afhankelijk van de functionaliteitendie de organisatie levert of beheert. Dit kan betekenen dat een organisatie nieuwe hardware moet kopen ofmoet overstappen op nieuwe leveranciers die de juiste PQC-oplossingen ondersteunen.Ten slotte moet de organisatie dit plan uitvoeren. Het is van groot belang daarbij voorzichtig te werk te gaanom geen nieuwe risico's te introduceren. Dit handboek bevat richtlijnen voor het migreren van verschillendesoorten cryptografie op basis van de strategieën die in de planningsfase zijn gekozen. Bovendien is het nietonwaarschijnlijk dat er de komende jaren nieuwe kwetsbaarheden in de PQC-oplossingen worden ontdekt.Daarom is het belangrijk om cryptographic agility in gedachten te houden. Met cryptographic agility kan eenorganisatie gemakkelijk geïmplementeerde cryptografische primitieven aanpassen of vervangen zonder datdit de processen van organisaties bovenmatig verstoort. Dit is vooral belangrijk wanneer wanneer er er nieuweverbeteringen of kwetsbaarheden in protocollen worden ontdekt.

Jan 1, 20230 citations