kvanttisimuloinnissa

Kvanttisimulointi on ala, jolla kvanttijärjestelmän ominaisuuksia tutkitaan käyttämällä toisen, hallitun kvanttijärjestelmän kehitystä. Tavoitteena on ratkaista ongelmia, joita klassinen laskenta on vaikea mallintaa, kuten monien vuorovaikutusten dynamiikka ja kemiallisten reaktioiden mekanismit. Kvanttisimulointi jaetaan yleisesti kahteen lähestymistapaan: analogiseen simulointiin ja digitaaliseen simulointiin. Analogisessa simuloinnissa hyödynnetään fyysistä kvanttijärjestelmää, jonka evoluutio vastaa tutkittavaa mallia. Digitaalinen simulointi rakentuu kvanttiporteista ja algoritmeista, joiden avulla ajan kehitys toteutetaan ja tulokset mitataan.

Merkittäviä menetelmiä ovat sekä analogisessa että digitaalisessa simuloinnissa käytettävät ratkaisut. Digitaalinen simulointi käyttää esimerkiksi Trotter-Suzuki -jaon hajottamaan aikaa pienempiin osiin sekä variational quantum eigensolveria (VQE) erilaisten järjestelmän energiatasojen etsimiseen. Muita keskeisiä menetelmiä ovat kvanttivaiheen estimaatio (QPE) sekä variational-algoritmit, kuten QAOA. Näitä sovelletaan muun muassa kemiallisten yhdisteiden energiatasojen ja reaktioreittien sekä kiinteän aineen magneettisten tilojen tutkimiseen.

Sovellukset kattavat kemian ja materiaalitieteen sekä teoreettisen fysiikan osa-alueet. Kvanttisimulointi voi mahdollistaa vaikeiden järjestelmien ennustamisen, joita klassisilla tavoilla ei ole käytännössä mahdollista. Haasteita ovat dekoherenssi ja virheiden hallinta, rajallinen määrä laadukkaita kvanttipiirejä sekä mittaus- ja kalibrointivirheet. Kehitys etenee virheenkorjausmenetelmien parantamisen, skaalautuvuuden ja erilaisten alustoiden kehittämisen kautta. Alustoina käytetään muun muassa superjohtavia kvanttipiirejä, trapattuja ioneita sekä ultrakylmiä atomeja ja fotoneita.