Kvantsimulatsioon on defineeritud kui kvantfüüsika põhimõtete kasutamine keeruliste füüsikaliste, keemiliste või bioloogiliste süsteemide käitumise modelleerimiseks. Kvantmaailmas toimuvate nähtuste, näiteks superpositsiooni ehk ülestuse ja põimumise, modelleerimine on arvutiklastritele liiga keeruline ja ressursimahukas. Arendatavad kvantarvutid suudavad neid protsesse täpselt ja tõhusalt simuleerida. Kvantsimulatsioon lubab teadlastel uurida ja mõista selliseid süsteeme, mida ei ole seni jõutud efektiivselt mudeldada.
Mis on kvantsimulatsioon?
Kvantsimulatsioon on eriline rehkendusmeetod, mis jäljendab süsteemide käitumist kvantsüsteemide kaudu, et mõista keerukaid arvukate muutujatega nähtusi, mida on muidu pea võimatu simuleerida. Näiteks võivad teadlased kvantsimulatsioonides aatomite ja molekulide käitumist uurida, et modelleerida keemilisi reaktsioone, uute materjalide omadusi või lausa täpsemini ilma ennustada. Kui täna ennustavad sünoptikud ilma enam-vähem täpselt ette vaid paar päeva, võimaldaks kvanttehnoloogia luua ilmamudeleid, mis võtaks arvesse oluliselt rohkem parameetreid, pikendades ilmastikuprognooside usaldusväärsust nädalatesse.
Kvantsimulatsioonid kasutavad kvantarvutite unikaalset võimet jäljendada kvantsüsteeme palju täpsemalt, kui tavalised räniarvutid seda suudaksid. See annab teadlastele võimsa tööriista füüsikaliste süsteemide sügavama mõistmise jaoks, olles eriti väärtuslik materjaliteaduse, keemia ja osakestefüüsika valdkondades.
Kvantsimulatsiooni rakendused
Kvantsimulatsioonist on kasu mitmes teadus- ja tehnoloogiavaldkonnas, sest uute võimaluste ja rakenduste loomisel saab määravaks kujutlusvõime, mitte räniarvutite jõudluspiir.
Materjaliteadus. Teadlased saavad ainete kvantmehhaanilisi omadusi ja võimalikke rakendusi simuleerides hõlpsalt avastada uusi materjale ja mudeldada nende füüsikalisi omadusi. Arvatavasti leitaks nii täiesti uusi erakordse elektri-, soojusjuhtivuse, mahtuvuse, magnetväljatugevuse, mehhaanilise tugevuse, kõvaduse, elastsuse vms olulise omadusega gaase, vedelikke, tahkeid materjale, eutektoide ja supersulameid.
Keemia ja ravimite avastamine on valdkonnad, kus kvantsimulatsioon võib tuua olulisi läbimurdeid. Lähenedes keemilistele reaktsioonidele kvanttasemel on lihtsam ennustada, kuidas uued ravimikandidaadid või keemilised ühendid reageerivad erinevates tingimustes. Tõhustuks ravimite loomine ja keemiliste protsesside optimeerimine.
Kliima- ja füüsikateadustes tekib lisandväärtus keeruliste süsteemide täpsemast modelleerimisest. Kvantsimulatsioon seletab looduse toimimist kvanttasandil osakestevahelist vastastikmõju näol, edendades seejuures näiteks kliimamudeleid ja tähefüüsikat.
Finantssektoris lihtsustuks keeruliste finantsinstrumentide ja turudünaamika mudeldamine turuliikumiste ennustamisel ja investeerimisstrateegiate tõhustamisel. Kvantsimulatsioon pakub täiustatud meetodeid finantsturgude keerukate käitumismustrite mõistmiseks ja analüüsimiseks.