Kvanttisimulaation

Kvanttisimuatio (kvanttisimulaatio) on prosessi, jossa kvanttisysteemi käytetään mallintamaan ja tutkimaan toista, usein monimutkaista kvanttisysteemiä. Sen tavoite on tarjota ote kvanttimekanismien käyttäytymiseen, joita on käytännössä vaikea simuloida klassisilla laskentamenetelmillä johtuen laskennan koosta ja kvanttisesta monimutkaisuudesta.

Kvanttisimuatiot voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: analogiseen ja digitaaliseen kvanttisimulaatioon. Analogisessa simulaatiossa ohjataan kvanttipiirejä tai -järjestelmiä siten, että niiden evoluutio vastaa mallinnettavaa Hamiltoniania. Digitaalinen simulaatio käyttää kvanttitoimintoja (porteja) ja ohjelmoitavaa ohjausta, jotta kompleksinen kvanttimekanismi voidaan rakentaa porttien avulla; se on yleispätevä lähestymistapa ja mahdollistaa erilaisten mallien ohjaamisen.

Taustaa: ajatus kvanttisimulaatiosta syntyi Feynmanin 1980-luvun visioista, ja Lloydin myöhemmin vahvistama tulos osoittaa, että kvanttitietokone voi tehokkaasti simuloida paikallisia kvanttijärjestelmiä. Kvanttisimuatio voi tarjota keinoja tutkia esimerkiksi vahvasti vuorovaikutteisia elektronijärjestelmiä, Bose-Hubbard- ja Fermi-Hubbard -malleja sekä kvanttikemian ilmiöitä.

Toteutustapoja ja alustoja ovat ultralämpötilan atomit optisissa lattioissa, vangitut ionit, suprajohtavat piirit sekä fotoniset järjestelmät. Nykytilanteessa demonstraatiot ovat rajallisia koossa ja monimutkaisuudessa, mutta ne ovat osoittaneet toteutuvan monien kvanttimekaan ilmiöiden simuloinnin. Haasteita ovat dekooderointi, virheenkorjaus, skaalautuvuus ja virheiden hallinta, sekä kalibrointi. Kvanttisimulaatio on siten sekä tutkimus-, kehitys- että mahdollisten sovellusalojen eturintamassa, erityisesti materiaalitieteen, kvanttikemian ja tiheän aineen fysiikan aloilla sekä tulevien koelaitteiden kehityksessä.