Kvanttisimuloinnilla

Kvanttisimuloinnilla tarkoitetaan järjestelmän ominaisuuksien tai dynamiikan tutkimista käyttämällä hallittua kvanttijärjestelmää, jonka evoluutiota voidaan mitata ja tulkita. Tämä mahdollistaa tutkimuksen sellaisissa tapauksissa, joissa klassiset laskentamenetelmät kohteesta ovat epäkäytännöllisiä suurten ja tiiviisti korreloituneiden kvanttijärjestelmien osalta. Kvanttisimulaation tavoitteena on tarjota tehokas keino ymmärtää näiden järjestelmien käyttäytymistä.

Historian keskeiset kohdat ovat Feynmanin 1980-luvulla esittämä idea kvanttisimulaattoreista sekä Lloydin 1990-luvun julkaisut, joissa osoitettiin universaalin kvanttisimulaation mahdollisuus. Nykyään kvanttisimulointi jaetaan analogisiin ja digitaalisiin menetelmiin.

Analoginen simulointi toteutetaan käyttämällä hallittua kvanttijärjestelmää suoraan tietyn Hamiltonin dynamiikan esittämiseen, esimerkiksi ultrakylmien atomien järjestelmissä optisissa lattice-ympäristöissä tai ionien trap-järjestelmissä. Digitaalinen simulointi rakentuu gate-pohjaisella kvanttitietokoneella ja käyttää häiritseviä operaatiota sekä aikainstilausta, jotta haluttu Hamiltonin evoluutio voidaan toteuttaa.

Käyttökohteita ovat kvanttimekaniikan monijärjestelmien tutkimus, kuten Hubbard- ja Heisenberg-mallit, sekä kvanttikemia ja materiaalitutkimus. Tällöin voidaan arvioida esimerkiksi elektronien vuorovaikutuksia, energiarakenteita ja reaktioiden ominaisuuksia, sekä mallintaa vaikeasti laskettavia materiaali-ilmiöitä.

Haasteina ovat dekoherenssi, tekniset virheet ja rajallinen skaalautuvuus. Tulevaisuudessa kvanttisimulointi voi tarjota keinoja ratkaista ongelmia, joita klassinen laskenta ei käytännössä kykene käsittelemään, mikä vaatii edelleen kehitystä sekä analogisissa että digitaalissa lähestymistavoissa sekä virheenkorjauksessa.