Kombinatoriska optimeringsproblem finns överallt omkring oss. Vi kanske inte tänker på det, men i vardagen hanterar vi ofta utmaningar som kan lösas på en ofantlig mängd olika sätt.

– Gemensamt för kombinatoriska optimeringsproblem är att de snabbt blir omöjliga att lösa när antalet delar som ska optimeras växer, eftersom det leder till en explosion av möjligheter. Ett enkelt exempel är när du ska resa, och vill packa in väskorna i bilen så effektivt som möjligt. Väskorna har olika former och storlekar som ska in i ett begränsat utrymme, vilket leder till ett enormt antal möjliga kombinationer i packningen, säger Johan Åkerman, professor i experimentell fysik vid Göteborgs universitet.

I samhället finns mängder av kombinatoriska optimeringsproblem, kopplade till områden som kryptering, resursfördelning, rörelseplanering eller schemaläggning.

– Vilka patienter bör placeras var på ett sjukhus? Hur optimerar vi elnätet och överföringskapaciteten mellan länder? Hur kan vi effektivisera hissarnas rörelser på ett hotell? Kombinatoriska optimeringsproblem förekommer i mindre och större skala, och vi löser dem okej - kanske till 80 procent. Men om vi vill lösa dem riktigt bra och riktigt snabbt, då lyckas vi inget vidare idag, säger han.

Effektiva beräkningar med oscillatorer

Johan Åkerman har siktet inställt på att lösa kombinatoriska optimeringsproblem med stora nätverk av oscillatorer. Oscillatorer kan beskrivas som växelverkande elektroniska svängningskretsar som kan göra avancerade beräkningar – ungefär som våra nervceller.

De senaste tio åren har Åkerman byggt upp världsledande forskning på området.

Finansieringen från Wallenbergsstiftelserna ger en trygghet och stabilitet som är helt ovärderlig för forskningsarbetet.

– Om vi kan lösa kombinatoriska optimeringsproblem smidigt kan samhället få ut mer av sina befintliga resurser, och minska allt ”slöseri” som sker för att vi inte gör saker på rätt sätt. Att få ut närmare 20 procent mer resurser skulle få enorm betydelse på många områden, men även mindre ökningar skulle göra stor skillnad. Tänk exempelvis om vi skulle kunna förbättra trafikflödet med fem procent och få bort en mängd trafikstockningar, eller om vi skulle få ut tio procent mer tågtrafik på järnvägsnätet och få ner förseningarna, säger han.

Nätverk som strävar efter perfekt tillstånd

Idag satsas det mycket forskning på kvantdatorer för att kunna utföra supersnabba, avancerade beräkningar. Men användbara kvantdatorer är fortfarande svåra och kostsamma att bygga, och användningen kräver mycket energi.

Johan Åkermans forskning är inriktad på att bygga så kallade Ising-maskiner. Dessa består av stora nätverk av växelverkande nano-oscillatorer som kan genomföra enorma mängder beräkningar extremt snabbt och energieffektivt.

Oscillatorerna i nätverken är kopplade till varandra och samspelar ständigt med sina grannar. Genom att påverka hur starka de olika kopplingarna är kan forskarna programmera olika kombinatoriska problem. Oscillatorerna svarar genom att ändra sina fastillstånd – så att de befinner sig i fas eller motfas – och gemensamt försöka nå det perfekta tillståndet, där alla oscillatorer kopplar optimalt till varandra.

– Oscillatorerna vibrerar och deras fas fladdrar tills systemet hittar sitt bästa, gemensamma tillstånd – alltså lösningen på det kombinatoriska problemet. Utmaningen är att skapa och programmera riktigt stora nätverk så att oscillatorerna kan lösa problem som har betydelse – exempelvis avståndet mellan städer för att hitta den kortaste resvägen, säger han, och fortsätter:

– Om vi snabbt och energisnålt kan lösa kombinatoriska optimeringsproblem kan det öppna möjligheter som vi inte ens har tänkt på ännu.

Banar väg för effektivare teknik

Inom de närmaste åren hoppas Johan Åkerman ha skapat en fullt fungerande och kommersiellt relevant Ising-maskin. Och han är redan på god väg. Hittills har forskarteamet lyckats koppla ihop ett nätverk av 100 000 synkroniserade oscillatorer, på en väldigt liten yta.

– Oscillatorerna är bara tio nanometer stora och är placerade 24 nanometer från varandra i ett rutnät. Det innebär att det i dagsläget går att få in 1,7 miljarder oscillatorer på ett chip som är en kvadratmillimeter stort, säger han.

De extremt små formaten öppnar många möjligheter för effektivare teknik. Särskilt i mindre applikationer som drönare eller mobiltelefoner.

– Små chip med energieffektiva beräkningsmöjligheter skulle underlätta många funktioner i mobiltelefoner, säger han.

Elektronikens värld har lockat Johan Åkerman så länge han kan minnas. Som tioåring pysslade han med sin ABC 80-dator och byggde en egen elorgel. Drivkraften har alltid varit att förstå och förklara hur världen fungerar, men också kunna kontrollera processer och skeenden.

– Jag är i grunden ingenjör, och ingenjörer tycker om att skapa saker. Jag har startat flera forskningsbaserade företag, så utöver att vara forskare är jag också entreprenör, säger han.

Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg