Eine Roadmap für die Zukunft der Quantensimulation

Eine Roadmap für die zukünftige Ausrichtung der Quantensimulation wurde in einem von der University of Strathclyde mitverfassten Papier entworfen.

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

Die sich ständig ändernde 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.

Die Zeitung, erschienen in Natur, untersucht die kurz- und mittelfristigen Möglichkeiten der Quantensimulation auf analogen und digitalen Plattformen, um das Potenzial dieses Bereichs abzuschätzen. 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, vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Universität Innsbruck mitverfasst Österreichische Akademie. of Science und Microsoft Corporation.

Professor Andrew Daley vom Department of Physics in Strathclyde ist der Hauptautor der Veröffentlichung. Er sagt: „In den letzten Jahren gab es viele spannende Fortschritte in der analogen und digitalen Quantensimulation, und die Quantensimulation ist einer der vielversprechendsten Bereiche der Quanteninformationsverarbeitung. Sie ist bereits ziemlich ausgereift, sowohl in Bezug auf die Algorithmenentwicklung als auch in die internationale Verfügbarkeit signifikant fortschrittlicher analoger Quantensimulationsexperimente.“

„In der Geschichte des Rechnens haben klassisches analoges und digitales Rechnen seit mehr als einem halben Jahrhundert nebeneinander existiert, mit einem allmählichen Übergang zum digitalen Rechnen, und wir erwarten, dass dasselbe mit dem Aufkommen der Quantensimulation passieren wird.“

„Als nächster 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 liegen in 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, ist aber dank spezieller analoger Quantensimulatoren auch schon heute modellspezifisch durchführbar. Dies erfolgt analog zur Erforschung der Aerodynamik, die kann entweder in einem Windkanal oder durch Simulationen auf einem digitalen Computer durchgeführt werden, wo die Aerodynamik oft ein kleineres Modell verwendet, um etwas Großes zu verstehen, analoge Quantensimulatoren verwenden oft ein größeres Modell, um etwas noch Kleineres herauszufinden.

„Analoge Quantensimulatoren bewegen sich jetzt von der Bereitstellung qualitativer Demonstrationen physikalischer Phänomene hin zur Bereitstellung quantitativer Lösungen für native Probleme. Ein besonders spannender kurzfristiger Weg ist die Entwicklung einer Reihe programmierbarer hybrider Quantensimulatoren zwischen digitalen und potenziellen, da sie die besten Vorteile kombinieren von beiden Seiten, indem native analoge Operationen verwendet werden, um stark verschränkte Zustände zu erzeugen.“