Kvanttisimuatiot

Kvanttisimuatiot ovat menetelmiä, joiden avulla kvanttimekaniikan ilmiöitä voidaan mallintaa tai kvanttiprosesseja käyttää toisten järjestelmien simulointiin. Ne jaetaan digitaalisiin kvanttisimuointeihin sekä analogisiin kvanttisimuointeihin. Digitaalinen simulointi käyttää universaaleja kvanttitietokoneita dynamiikan toteuttamiseen loogisten porttien avulla ja aikakertoimet jaetaan pieniin askeleisiin, esimerkiksi Trotterizationin kautta. Analoginen simulointi puolestaan rakentaa fyysisen järjestelmän, jonka dynamiikka vastaa tutkittavaa Hamiltoniania, jolloin sen kehitystä voidaan seurata suoraan.

Kvanttisimuatioiden historia juontaa juurensa Feynmanin 1980-luvun näkemykseen siitä, että kvanttimekaniikan simulointi kannattaa hoitaa kvanttilaitteilla. Käytännön kokeelliset järjestelmät kehittyivät 1990-luvulta eteenpäin ja yleistyivät 2000-luvulla. Yleisiä menetelmiä ovat variational-hybridiset lähestymistavat, kuten VQE (variational quantum eigensolver) sekä QAOA (quantum approximate optimization algorithm), jotka sopivat nykyisille, ei täysin virheenkorjatuille NISQ-laitteille.

Sovelluksia ovat kvantkchemia ja materiaalitutkimus, joissa kvanttisimuoinnit voivat tarkentaa reaktiolaskelmia ja ominaisuuksien ennusteita. Lisäksi niillä tutkitaan vahvan vuorovaikutuksen malleja sekä lattice gauge theories -mallien simulointia hiukkasfysiikassa.

Haasteisiin kuuluvat skaalautuvuuden rajoitteet, koherenssiajan lyhyys sekä mittaus- ja valmistusvirheet. Tutkimuksessa kehitetään sekä parempia laitteita että virheenkorjaus- sekä virheenkorjausvapaiden lähestymistapojen standardeja vertailun helpottamiseksi.