kvanttisimuloinnin

Kvanttisimulointi tarkoittaa kvanttisysteemien ohjatuilla laitteilla tapahtuvaa mallintamista ja tutkimista, jolla pyritään ymmärtämään kvanttitoimintaa, jota on vaikea tai mahdotonta laskea perinteisillä tietokoneilla. Sen tarkoituksena on tarkkailla monien vuorovaikutusten dynamiikkaa sekä materiaalien ja kemiallisten prosessien ominaisuuksia.

Ajatus kvanttisimuloinnista syntyi 1980-luvulla, kun fyysikko Richard Feynman ehdotti, että kvanttimekaniikkaa varten tarvitsee toisenlaista laitetta kuin perinteinen klassinen tietokone. 1990-luvulla Seth Lloyd osoitti, että kvanttipiireillä voidaan toteuttaa yleinen kvanttisimulaatio. Tämän jälkeen kehitettiin sekä digitaalisia simulattoreita (käyttämällä gate-kytkentöjä) että analogisia simulattoreita, ja niiden sovelluksia on kartoitettu useilla aloilla.

Digitaaliset kvanttisimulaattorit rakentuvat kvanttipiireistä, joissa kytkentöjä ohjaamalla luodaan haluttu Hamiltonian, ja simulaatio ajetaan kvanttitiloissa. Analogiset simulattorit jäljittelevät suoraan tiettyä kvanttijärjestelmää, esimerkiksi ultrakylien atomien optisissa lattioissa tai ionikantajärjestelmissä, ja vuorovaikutukset säädetään suoraan laitteistolla. Molemmilla lähestymistavoilla voidaan tutkia monimutkaisia monien vuorovaikutusten dynamiikkaa ja nopeita prosessien kehityksiä.

Sovellukset kattavat kvanttifysiikan perusilmiöiden tutkimuksen sekä kvantumkemian ja materiaalitieteen ongelmat. Esimerkkejä ovat energiatason tarkka laskenta, kvanttivaiheiden kartoitus sekä reaktioiden dynaamiset prosessit ja materiaalien ominaisuuksien ennustaminen, joita on hankalaa simuloida klassisilla tietokoneilla.

Nykytilanteessa kvanttisimulointi on aktiivinen tutkimusalue, jossa on saavutettu lukuisia demonstraatioita sekä digitaalisissa että analogisissa järjestelmissä. Haasteisiin kuuluvat virhe ja dekoherenssi, sekä skaalaus ja tulosten verifiointi luotettaviin vertailuihin. Tulevaisuudessa odotetaan kehitystä laitteiston skaalautuvuudessa, virheenkorjauksessa sekä hybridimenetelmien hyödyntämisessä.