Kvantsimulaatiot

Kvantsimulaatiot ovat tutkimusmenetelmä, jossa kvanttijärjestelmiä simuloidaan käyttämällä kvanttilaitteita. Tavoitteena on ymmärtää monimutkaisia kvanttijärjestelmiä ja niiden vuorovaikutuksia, joita on käytännössä hankalaa mallintaa klassisilla tietokoneilla. Simulaatio voi kohdistua sekä dynaamisten ilmiöiden tutkimiseen että kiinteisiin Hamiltonian-malleihin.

Kvantsimulaatiot jaetaan yleisesti analogiseen ja digitaaliseen. Analoginen simulointi jäljittelee halutun Hamiltonian dynamiikkaa suoraan järjestelmässä, esimerkiksi ultracold-atomien optisissa loukuissa tai ionijärjestelmissä. Digitaalinen simulointi rakentaa mallin porttiketjuilla ja käsittelee vuorovaikutuksia ohjelmallisesti, jolloin mallia voidaan muuttaa joustavasti.

Platformeja ovat esimerkiksi ultracold-atomit optisissa loukuissa, ionit ja superkondensaattoripohjaiset kvanttipiirit sekä fotoniset järjestelmät. Keskeisiä sovellusalueita ovat vahvasti vuorovaikutteiset elektronijärjestelmät kuten Hubbard- ja Heisenberg-mallit, kvanttikemia molekyylien energioiden laskemiseen sekä materiaalitieteen ilmiöiden tutkiminen.

Haasteita ovat dekoherenssi ja virheiden hallinta, skaalautuvuus sekä virheenkorjausmenetelmien kehittäminen. Nykyään suurin osa edistyksestä tapahtuu niin sanotussa NISQ-aikakaudessa, jolloin järjestelmät ovat hyödyllisiä mutta virheille herkkiä. Pitkän aikavälin tavoitteena on luotettava, suuret määrät kvanttipiirejä sisältävä simulointi, joka tarjoaa lisätietoa kvanttisysteemien käyttäytymisestä.