Kvanttisimulaatiot

Kvanttisimulaatiot ovat tutkimus ala, jossa kvanttijärjestelmän ominaisuuksia tutkitaan käyttämällä toista, hallittavaa kvanttijärjestelmää. Tavoitteena on ymmärtää monimutkaisia kvanttimekaniikan ilmiöitä sekä ratkaista ongelmia, joita on vaikea simuloida klassisilla laskentamenetelmillä. Kvanttisimulaatioita voidaan hyödyntää sekä perusfysiikan että soveltavien alojen, kuten kemian ja materiaalitieteen, tutkimuksessa.

Kvanttisimulaatioita on kahta päätyyppiä: analogiset ja digitaaliset simuloinnit. Analogisissa simuloinneissa käytetään yhtä hallittavaa kvanttijärjestelmää, joka matkii toisen järjestelmän vuorovaikutuksia esimerkiksi ultrakylmissä atomeissa tai ionien trap-järjestelmissä. Digitaaliset simuloinnit rakentuvat gate-pohjaisesta kvanttitietokoneesta, jossa järjestelmän kehitys toteutetaan kvanttiporteilla ja tilojen muutoksia seurataan ohjelmallisesti. Yleisimmät menetelmät ovat esimerkiksi Trotter-Suzuki -jaot sekä variational methods kuten VQE.

Sovellukset kattavat kvanttimekaniikan mallintamisen, kuten Hubbard- ja Heisenberg-spinimallit, sekä kemiallisten reaktioiden ja elektronirakenteen tutkimuksen. Kvanttisimulaattorit voivat tarjota ennen näkemättömiä ennusteita materiaalien ominaisuuksista tai reaktioiden dynamiikasta, erityisesti järjestelmien, joissa klassinen laskenta on epäkäytännöllistä.

Haasteina ovat häiriöt, decoherence sekä skaalautuvuus ja virheenkorjaus. Nykyiset järjestelmät ovat melko kohtuullisen pieniä, mutta kehitys parantaa jatkuvasti koherenssia ja laskentakapasiteettia. Tutkimus- ja teollisuusyhteisöt näkevät kvanttisimulaatiot potentiaalisina työkaluina tulevan kvanttiteknologian sovelluksissa.