Kombinatoriska optimeringsproblem är en del av vår vardag, även när vi inte aktivt tänker på dem. Dessa problem dyker upp i olika situationer och kan hanteras på en mängd olika sätt.

Johan Åkerman, professor vid Göteborgs universitet, förklarar att ju fler delar som måste optimeras, desto mer omöjliga blir problemen. Ett enkelt exempel är att packa väskor i bilen på bästa möjliga sätt – något som involverar många olika former och storlekar som ska rymmas i ett begränsat utrymme, vilket skapar en explosion av möjliga kombinationer.

Kombinatoriska optimeringsproblem är också vanligt förekommande inom områden som kryptering, resursfördelning, ruttplanering och schemaläggning. Det kan handla om att optimera sjukhusplaceringar för patienter, maximera elnätets kapacitet eller effektivisera hissarnas rörelser i stora byggnader. Trots att dagens teknologier kan lösa cirka 80 procent av dessa problem, finns det en stor potential för förbättring när det kommer till hastighet och effektivitet.

Åkermans forskningsfokus ligger på att använda stora nätverk av oscillatorer för att lösa dessa problem. Oscillatorer, som fungerar på liknande sätt som våra nervceller, är elektroniska svängningskretsar som kan utföra avancerade beräkningar.

I över ett decennium har Åkerman byggt en framstående forskningsgrupp, och den finansiering som kommer från Wallenbergsstiftelserna har varit avgörande för deras arbete. Om vi kan lösa kombinatoriska optimeringsproblem på ett effektivt sätt skulle det innebära att samhället kan dra nytta av sina resurser på ett mer optimalt sätt, vilket potentiellt kan öka effektiviteten med så mycket som 20 procent.

Idag är mycket av forskningen inriktad på kvantdatorer för att åstadkomma supersnabba beräkningar. Dock är dessa teknologier fortfarande på experimentstadiet och kan vara dyra och energiintensiva att implementera. Istället strävar Åkerman efter att utveckla så kallade Ising-maskiner. Dessa maskiner använder stora nätverk av samverkande nano-oscillatorer för att genomföra beräkningar snabbt och med låg energikostnad.

Nätverken av oscillatorer är ständigt i interaktion med varandra och justeringar av deras kopplingar kan programmeras för att lösa olika problem. Genom att studera hur oscillatorerna vibrerar och ändrar sina tillstånd, kan forskarna leda systemet till det optimala tillståndet där alla delar samverkar som mest effektivt.

Åkerman och hans team har redan lyckats koppla samman ett nätverk av 100 000 oscillatorer på en mycket liten yta. Varje oscillator är endast tio nanometer och de är optimerade för att packas mycket nära varandra, vilket möjliggör att upp till 1,7 miljarder oscillatorer kan rymmas på en kvadratmillimeter chip. Detta öppnar upp för möjligheter inom många teknikområden, inklusive applikationer för mobiler och drönare.

Johan Åkerman har alltid haft en passion för elektronik sedan han var barn, då han började programmera och bygga egna enheter. Han beskriver sig själv som en ingenjör som brinner för att skapa och förstå världen omkring oss. Förutom att vara forskare är han också en entreprenör och har startat flera forskningsbaserade företag.

Om han lyckas med sitt projekt kan det revolutionera hur vi hanterar komplexa problem i vår moderna värld, vilket kanske leder till framsteg vi än så länge bara kan drömma om.