Kvanttisimuloinnit

Kvanttisimuloinnit (kvanttisimuloinnit) ovat tutkimusmenetelmä, jossa kvanttiprosesseja käytetään kvanttijärjestelmien ominaisuuksien mallintamiseen ja tutkimiseen. Tavoitteena on ymmärtää monimutkaisia kvantti-ilmiöitä, joita klassiset tietokoneet kohtaavat kasvavien järjestelmien kanssa. Kvanttisimulointeja voidaan soveltaa sekä kvanttijärjestelmien mallintamiseen että kemiallisten molekyylien energioiden ja reaktioiden tutkimiseen.

Kvanttisimuloinnit voidaan jakaa digitaalisiin ja analogisiin. Digitaalinen simulointi rakentuu kvanttipiirille, jossa haluttu Hamiltonian dynamiikka jaetaan universaaleilla porttijoukoilla ja kehittämällä aikajaksoja, esimerkiksi Trotter-Suzuki -menetelmällä. Analogisessa simuloinnissa käytetään fyysisiä järjestelmiä siten, että niiden hallituilla vuorovaikutuksilla toteutetaan suoraan haluttua Hamiltonian dynamiikkaa.

Käytettyjä alustatyyppejä ovat vangitut ionit (trapped ions), superjohtavat kvanttipiirit, ultrakylmät atomit optisissa lattiapinnoissa sekä fotoniset järjestelmät. Nämä lähestymistavat vaihtelevat koherenssiaikojen, mittakaavan ja skaalautuvuuden suhteen, mutta kaikki tähtäävät kvanttimekaniikan tarjoamien laskennallisten hyödykkyyksien hyödyntämiseen.

Kohdealueisiin kuuluvat kvantti-spin-joukkojen dynamiikka sekä kvanttikaavan elektroniset ja kemialliset järjestelmät, kuten H2- ja LiH-molekyylien energiat, sekä Fermi-Hubbard- ja Heisenberg-mallit. Digitaalisessa simuloinnissa käytettyjä menetelmiä ovat esimerkiksi VQE ja QPE.

Nykytilanne sijoittuu NISQ-aikakaudelle: järjestelmät ovat virhe-, virheidenkanto- ja koherenssiriskeisiä, mikä rajoittaa suurten järjestelmien tarkkaa simulointia. Virheenkorjaus, koherentti skaalautuvuus ja paremmat alustat ovat keskeisiä kehityskohteita, ja edistys tapahtuu sekä laitteistossa että algoritmeissa.