Kvanttisimulaatioiden

Kvanttisimulaatioiden käsite viittaa tapaan käyttää kvanttisysteemejä toisten kvanttijärjestelmien ominaisuuksien ja dynamiikan mallintamiseen. Tällä tavoin voidaan tutkita monimutkaisia ilmiöitä, joita tavalliset tietokoneet vaikeasti simuloivat. Simulaatiot jaetaan usein digitaalisiin kvanttisimulaatioihin sekä analogeihin kvanttisimulaatioihin, ja niitä täydentävät hybriditoteutukset kuten variational quantum eigensolver (VQE) ja muut yleistetyt menetelmät, joita käytetään erityisesti noisen kvanttijärjestelmien aikakaudella.

Digitaaliset kvanttisimuloinnit käyttävät universaaleja kvanttilaitteita, joiden avulla toteutetaan ajan kehitystä kuvaavaa e^{-iHt}-logiikkaa kvanttigainien avulla. Tämä mahdollistaa eri Hamiltonien ja vuorovaikutusten ohjelmoinnin ja tutkinnan yleisellä tavalla. Analogia kvanttisimulaatiot puolestaan rekonstruoivat tutkittavaa ilmiötä suoraan kontrolloitua fyysistä järjestelmää muokkaamalla, esimerkiksi ultrakylmien atomien, vangittujen ionien tai supratranskoituvien piirien avulla, joiden avulla voidaan matkia tiettyjä Hamiltonin malleja.

Kvanttisimulaatioiden merkittäviä sovelluksia ovat elektronirakenteen ja reaktioiden energioiden laskeminen kemianteoriassa, materiaalien elektronisia ominaisuuksia ja ilmauksia kuvaavat mallit, kuten Hubbardin malli, sekä kvanttifysiikan ja liittyvien ilmiöiden tutkiminen teoreettisesti. Tulevaisuudessa ala voi avata reittejä vaikeiden materiaalien suunnittelulle sekä kemiallisten prosessien ymmärtämiselle, jossa perinteiset laskimet joutuvat suurimman tehon rajoittamiksi.

Haasteet liittyvät pääasiassa kohinaan, virheiden korrigoinnin tarpeeseen, skaalautuvuuteen sekä ongelman kartoitukseen kvanteille. Tutkimus kohdistuu myös virheiden hillintään ja virhemitoitukseen sekä menetelmien verifiointiin, jotta tulosten tulkinta pysyisi luotettavana.

Kvanttisimulaatioiden kenttä sai alkunsa 1980-luvulla Feynmanin ideoista, ja myöhemmin Lloyd osoitti kvanttitason simuloinnin universaalisuuden. Viime vuosikymmeninä Noisy Intermediate-Scale Quantum -aika on tuonut yhä käytännöllisempiä kokeellisia näkökulmia, joissa sekä digitaaliset että analogiset lähestymistavat etenevät rinnakkain.