Kvantesimulering

Kvantesimulering är användningen av kontrollerbara kvantsystem för att efterlikna och studera beteendet hos andra kvantsystem som är svåra att beskriva med klassiska beräkningar. Syftet är att undersöka komplexa many-body‑system, molekylära resonanser och fältteorier genom att låta ett experimentellt system följa den modell (Hamiltonian) man vill studera.

Historiskt har idén sin grund i Richard Feynmans insikt på 1980-talet om att kvantsystem bäst simuleras av kvantsystem. På 1990-talet utvecklade Seth Lloyd teorin om universella kvantsimulatorsystem som kan efterlikna andra kvantsystem med polynomiska resurser. Praktiska framsteg har kommit med utvecklingen av digitala och analoga kvantesimuleringar i olika plattformar.

Digital kvantesimulering använder gatebaserade kvantdatorer för att uppskatta dynamik och egenvärden genom upprepade kvanttider, ofta med Trotter–Suzuki‑dekompositioner. Analoga kvantesimulering bygger på att skapa ett kvantsystem vars naturliga dynamik direkt följer den önskade Hamiltonianen, till exempel genom atomer i optiska gallerier, Fångna joner eller Rydberg‑atomer.

Plattformar för kvantesimulering inkluderar fångna joner, supraledande qubits, ultrakalla atomer i optiska gallerier och fotonbaserade system. Vanliga tillämpningar är studier av starkt samverkande elektroniska system och magnetism, beräkningar av molekylära energier och reaktionsdård, samt undersökningar av lagrade fältteorier och materialvetenskap.

Utmaningar inkluderar brus och decoherence, felkorrigeringens behov, skalbarhet och noggrann kalibrering. Trots hinder fortsätter kvantesimulering att vara ett viktigt verktyg för att närma sig frågor inom fysik, kemi och materialvetenskap som är svåra att lösa klassiskt.