Kvanttisimulaatioon

Kvanttisimulaatio on prosessi, jossa kvanttimekaniikan lainsäädäntöjä hyväksi käyttäen pyritään mallintamaan ja tutkimaan monimutkaisia järjestelmiä, joita on käytännössä mahdoton laskea luotettavasti klassisilla tietokoneilla. Idea nousi esiin Feynmanin ja muiden tutkimusyhteisöjen teorioissa 1980–luvulla, kun osoitettiin, että kvanttiprosessit voivat tarjota eksponentiaalisesti tehokkaamman tavan simuloida kvanttisysteemejä.

Kvanttisimulaatioon liittyy kaksi päätyyppiä: digitaalinen ja analoginen simulaatio. Digitaalinen kvanttisimulaatio toteutetaan gate-pohjaisella kvanttikoneella, joka suorittaa tutkittavan Hamiltonianin toteuttamiseksi sekvenssin kvanttigeenejä. Analoginen simulaatio sen sijaan rakentuu kontrolloidulle kvanttisysteemille, jonka fysikaalinen käyttäytyminen vastaa suoraan tutkittavaa mallia, esimerkiksi ultrakylmät atomit, ionitrappijärjestelmät tai tietyt superjohtavat piirit. Digitaalinen lähestymistapa on joustavampi ja helpompi laajentaa suuriin järjestelmiin, kun taas analogiset kokeet voivat tarjota vahvempaa kontrollia ja korkeaa koherenssia lyhyillä mittauksilla.

Sovellukset ulottuvat kemian molekyylien energia- ja reaktiotapahtumien tutkimisesta materiaali- ja hiukkasfysiikan malleihin sekä kvanttianalyysiin. Hyödyntäjiä ovat sekä akateeminen tutkimus että teollisuus, erityisesti uusien materiaalien, lääkeainemolekyylien ja katalysaattoreiden kehittämisessä. Keskeisiä menetelmiä ovat variational quantum eigensolver (VQE) ja quantum phase estimation (QPE), sekä tilallinen ja trotterilainen aikajako digitaalisissa simuloinneissa.

Rajoitteet liittyvät ennen kaikkea virheisiin ja koherenssiin, mittaustarkkuuteen sekä skaalautuvuuteen. Kehityksen eteen painottuvat virheenkorjaus, hybridi klassi-kvanttijärjestelmät sekä suunnitelmallinen ohjelmointi, jolla kvanttisimulaatiot saadaan luotettavasti ja tehokkaasti käyttöön laajamittaisissa ongelmissa.