Eine Roadmap für die Zukunft der Quantensimulation

Eine Roadmap für die zukünftige Richtung der Quantensimulation wurde in einem an der University of Strathclyde mitverfassten Papier dargelegt.

Quantencomputer sind enorm leistungsstarke Geräte mit einer Geschwindigkeits- und Berechnungskapazität, die weit über die Reichweite klassischer oder binärer Computer hinausgeht. Anstelle eines binären Systems aus Nullen und Einsen arbeitet es mit Überlagerungen, die gleichzeitig Nullen, Einsen oder beides sein können.

Die sich kontinuierlich weiterentwickelnde Entwicklung des Quantencomputings hat den Punkt erreicht, an dem man bei einem künstlichen Problem einen Vorteil gegenüber klassischen Computern hat. Es könnte zukünftige Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen haben. Eine vielversprechende Klasse von Problemen betrifft die Simulation von Quantensystemen mit potenziellen Anwendungen wie der Entwicklung von Materialien für Batterien, industrielle Katalyse und Stickstofffixierung.

Das Papier, erschienen in Naturuntersucht kurz- und mittelfristige Möglichkeiten der Quantensimulation auf analogen und digitalen Plattformen, um das Potenzial dieses Bereichs zu bewerten. Es wurde von Forschern aus Strathclyde, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik, der Ludwig-Maximilians-Universität München, dem Munich Center for Quantum Science and Technology, der Universität Innsbruck, dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie mitgeschrieben of Sciences und Microsoft Corporation.

Professor Andrew Daley vom Department of Physics in Strathclyde ist Hauptautor der Veröffentlichung. Er sagt: „In den letzten Jahren gab es viele spannende Fortschritte in der analogen und digitalen Quantensimulation, und die Quantensimulation ist eines der vielversprechendsten Gebiete der Quanteninformationsverarbeitung. Sie ist bereits ziemlich ausgereift, sowohl in Bezug auf die Algorithmenentwicklung.“ , und in der internationalen Verfügbarkeit von erheblich fortgeschrittenen analogen Quantensimulationsexperimenten.“

„In der Computergeschichte existierten klassisches analoges und digitales Rechnen mehr als ein halbes Jahrhundert lang nebeneinander, mit einem allmählichen Übergang zum digitalen Rechnen, und wir erwarten, dass dasselbe mit dem Aufkommen der Quantensimulation passieren wird.“

„Als nächsten Schritt in der Entwicklung dieser Technologie ist es jetzt wichtig, den ‚praktischen Quantenvorteil‘ zu diskutieren, den Punkt, an dem Quantengeräte Probleme von praktischem Interesse lösen werden, die für herkömmliche Supercomputer nicht zu bewältigen sind.“

„Viele der vielversprechendsten kurzfristigen Anwendungen von Quantencomputern fallen unter das Dach der Quantensimulation: die Modellierung der Quanteneigenschaften mikroskopischer Teilchen, die für das Verständnis der modernen Materialwissenschaften, der Hochenergiephysik und der Quantenchemie direkt relevant sind.“

„Die Quantensimulation soll künftig auf fehlertoleranten digitalen Quantencomputern mit mehr Flexibilität und Präzision möglich sein, kann aber auch schon heute für bestimmte Modelle durch spezielle analoge Quantensimulatoren erfolgen. Dies geschieht analog zur Studie.“ der Aerodynamik, die entweder in einem Windkanal oder durch Simulationen auf einem digitalen Computer durchgeführt werden kann. Während die Aerodynamik oft ein kleineres Modell verwendet, um etwas Großes zu verstehen, nehmen analoge Quantensimulatoren oft ein größeres Modell, um etwas noch Kleineres zu verstehen.“

„Analoge Quantensimulatoren bewegen sich jetzt von der Bereitstellung qualitativer Demonstrationen physikalischer Phänomene zur Bereitstellung quantitativer Lösungen für native Probleme. Ein besonders aufregender Weg in die nahe Zukunft ist die Entwicklung einer Reihe programmierbarer Quantensimulatoren, die digitale und analoge Techniken hybridisieren. Das ist großartig Potenzial, weil es die besten Vorteile beider Seiten kombiniert, indem es die nativen analogen Operationen nutzt, um hochgradig verschränkte Zustände zu erzeugen.“