kvanttisimulointiin

Kvanttisimulointi on ala, jossa suunnitellut tai kontrolloidut kvanttitason järjestelmät jäljittelevät toisten kvanttijärjestelmien dynamiikkaa. Tavoitteena on tutkia monimutkaisia kvanttijärjestelmiä, kuten materiaalien ja kemiallisten reaktioiden käyttäytymistä, joita on vaikea mallintaa klassisilla tietokoneilla eksponentiaalisen tilarakenteen vuoksi. Kvanttisimulaatiota käytetään sekä perinteisten ongelmien ymmärtämiseen että uusien ilmiöiden ennustamiseen kvanttisilla laitteilla.

Kvanttisimulaatio jaetaan yleensä digitaaliseen ja analogiseen lähestymistapaan. Digitaalinen kvanttisimulaatio käyttää kvanttipiirejä ja portteja halutun Hamiltonian aika-evoluution toteuttamiseen, usein Trotter-Suzuki -dekohtien tai muiden jaottelujen avulla. Analoginen kvanttisimulaatio pyrkii jäljittelemään suoraan tietyn Hamiltonian dynamiikkaa käyttämällä järjestelmiä, joiden vuorovaikutukset vastaavat tutkittavaa mallia, kuten ultracold-atomijärjestelmiä optisissa lattiapinoissa tai vangittujen ionien järjestelmiä. Hybridit lähestymistavat yhdistävät variationalalgoritmeja klassisten laskentojen kanssa kvanttialustan avulla.

Sovellukset kattavat kvanttihamiltonianien simuloinnin kvantumchemian, materiaalitieteen ja kvantti-informatiikan rajapinnat. Esimerkkejä ovat Hubbardin malli spinijärjestelmissä, erilaiset Heisenberg- ja XY-mallit sekä molekyylien elektronien vuorovaikutusten tarkka mallintaminen. Näiden avulla voidaan tutkia faasimuutoksia, kvanttipiirteitä ja potentiaalisia uuden materiaalin ominaisuuksia sekä reaktioreittejä, joita on vaikea tutkia klassisin menetelmin.

Toteutuksessa käytetyt teknologiat ovat esimerkiksi suprakondensaatiopuikot ja ionikantaiset järjestelmät sekä erilaiset kvanttipiirit; haasteisiin kuuluu virheenkorjaus, kohina, mittausvaikuttavuus ja havaintojen varmentaminen. Kvanttisimulointi kehittää ymmärrystä kvanttijärjestelmistä ja edistää tulevia sovelluksia materiaalien ja kemian aloilla.