quantumsimulaties

Quantumsimulaties verwijzen naar het gebruik van beheersbare quantumtoestellen om het gedrag van andere quantum-systemen na te bootsen. Doel is inzicht te krijgen in eigenschappen van quantummany-body-systemen, chemische reacties en materiaaleigenschappen die moeilijk of ondoenlijk te berekenen zijn met klassieke computers.

Er bestaan twee hoofdbenaderingen: analoge quantum simulaties, waarbij een beheersbaar quantumtoestel rechtstreeks de doel-Hamiltonian nabootst, en digitale quantum simulaties, die met quantumpoorten en algoritmen stap voor stap de gewenste Hamiltonian reconstrueren. Typische platforms zijn ultracold-atomen in optische lattices, opgesloten ionen, superconducting qubits en fotonische systemen. Analoge simulators bieden vaak directe modellering van modellen zoals het Hubbard-model of spinketens, terwijl digitale simulators flexibiliteit bieden en breder inzetbaar zijn dankzij gate-based ontwerpen.

Toepassingen liggen onder meer in de studie van condensate- en spin-systemen in de natuurkunde, quantumchemie (berekenen van moleculaire energieën en dynamica), en materiaalwetenschappen. Ook theoretisch onderzoek naar mogelijk relevante lattice gauge theories wordt onderzocht met quantum simulators.

Historisch gezien ontstond het idee in de jaren tachtig en negentig, met voorstellen van Richard Feynman en Seth Lloyd als basis voor het concept van een quantumcomputer die quantumsystemen kan simuleren. Vandaag bevinden veel systemen zich in de zogenoemde NISQ-periode: ze zijn onderhevig aan ruis en fouten, wat lange, foutencorrectie-achtige berekeningen bemoeilijkt en de schaalbaarheid beperkt.

Uitdagingen zijn onder meer decoherentie, foutenkosten en calibratie, terwijl foutcorrectie en grotere aantallen qubits toekomstige doorbraken kunnen brengen. In de komende jaren kunnen quantum-simulaties een complementaire rol spelen bij klassieke simulaties en helpen bij problemen die zich klassiek niet efficiënt laten oplossen, bijvoorbeeld via variational- en digitale simulatie-algoritmen.