เครื่องจำลองควอนตัมช่วยให้สามารถศึกษาระบบควอนตัม ได้ ในรูปแบบที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ ในกรณีนี้ เครื่องจำลองเป็นอุปกรณ์เฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อให้เข้าใจปัญหาทางฟิสิกส์ เฉพาะ ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}เครื่องจำลองควอนตัมอาจแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ควอนตัม "ดิจิทัล" ที่สามารถตั้งโปรแกรมได้โดยทั่วไป ซึ่งจะสามารถแก้ปัญหาควอนตัมได้หลากหลายประเภทมากกว่า

เครื่องจำลองควอนตัมสากลคือคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เสนอโดยYuri Maninในปี 1980 ^{[ 4 ]}และRichard Feynmanในปี 1982 ^{[ 5 ]}

ระบบควอนตัมสามารถจำลองได้โดยเครื่องทัวริงหรือเครื่องทัวริงควอนตัมเนื่องจากเครื่องทัวริง แบบคลาสสิก สามารถจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล (และด้วยเหตุนี้จึงสามารถจำลองเครื่องจำลองควอนตัมที่ง่ายกว่าได้) ซึ่งหมายความว่าพวกมันเทียบเท่ากันจากมุมมองของทฤษฎีความสามารถ ใน การคำนวณ การจำลองฟิสิกส์ควอนตัมโดยคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่มีประสิทธิภาพ^{[ 6 ]}กล่าวอีกนัยหนึ่ง คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ให้พลัง เพิ่มเติม เหนือคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในแง่ของความสามารถในการคำนวณ แต่คาดว่าพวกมันสามารถแก้ปัญหาบางอย่างได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ซึ่งหมายความว่าพวกมันอาจอยู่ในระดับความซับซ้อนที่ แตกต่างกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องทัวริงควอนตัมจึงมีประโยชน์สำหรับการจำลองระบบควอนตัม นี่เป็นที่รู้จักกันในชื่อความเหนือกว่าของควอนตัมแนวคิดที่ว่ามีปัญหาบางอย่างที่เครื่องทัวริงควอนตัมเท่านั้นที่สามารถแก้ไขได้ในเวลาที่ เหมาะสม

ระบบควอนตัมที่มีอนุภาคจำนวนมากสามารถจำลองได้ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้บิตควอนตัม จำนวนหนึ่ง ซึ่งคล้ายกับจำนวนอนุภาคในระบบดั้งเดิม^{[ 5 ]}สิ่งนี้ได้รับการขยายไปสู่ระบบควอนตัมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

เครื่องจำลองควอนตัมได้รับการสร้างขึ้นบนแพลตฟอร์มการทดลองหลายแห่ง รวมถึงระบบก๊าซควอนตัมเย็นยิ่งยวดโมเลกุลขั้ว ไอออนที่ถูกดักจับ ระบบโฟตอนิก จุดควอนตัม และวงจรตัวนำยิ่งยวด^{[ 11 ]}

ปัญหาสำคัญหลายประการในฟิสิกส์ โดยเฉพาะฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำและฟิสิกส์หลายอนุภาคยังคงไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ เนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัม พื้นฐาน มีความซับซ้อนอย่างมาก คอมพิวเตอร์ทั่วไป รวมถึงซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ไม่เพียงพอสำหรับการจำลองระบบควอนตัมที่มีอนุภาคเพียง 30 อนุภาค เนื่องจากมิติของปริภูมิฮิลเบิร์ตเติบโตแบบทวีคูณตามจำนวนอนุภาค^{[ 12 ]}จำเป็นต้องมีเครื่องมือคำนวณที่ดีกว่าเพื่อทำความเข้าใจและออกแบบวัสดุที่มีคุณสมบัติซึ่งเชื่อว่าขึ้นอยู่กับพฤติกรรมควอนตัม โดยรวม ของอนุภาคหลายร้อยอนุภาค^{[ 2 ] [ 3 ]}เครื่องจำลองควอนตัมเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการทำความเข้าใจคุณสมบัติของระบบเหล่านี้ เครื่องจำลองเหล่านี้สร้างระบบที่สนใจขึ้นมาอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างคุณสมบัติของระบบได้อย่างแม่นยำ การควบคุมที่แม่นยำและการปรับแต่งพารามิเตอร์ของระบบได้อย่างกว้างขวางทำให้สามารถแยกอิทธิพลของพารามิเตอร์ต่างๆ ออกจากกันได้อย่างชัดเจน

เครื่องจำลองควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่ยากต่อการจำลองบนคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้ เนื่องจากใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมของอนุภาคจริงโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เครื่องจำลองใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่าการซ้อนทับ ( superposition ) ซึ่งอนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ในสองสถานะที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกันได้ เช่น อยู่ในแนวเดียวกันและตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กภายนอก ที่สำคัญ เครื่องจำลองยังใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมประการที่สองที่เรียกว่าการพัวพัน (entanglement)ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมโยงพฤติกรรมของอนุภาคที่แยกจากกันทางกายภาพได้^{[ 2 ] [ 3 ] [ 13 ]}

เมื่อเร็วๆ นี้มีการใช้เครื่องจำลองควอนตัมเพื่อสร้างผลึกเวลา^{[ 14 ] [ 15 ]}และของเหลวสปินควอนตัม^{[ 16 ] [ 17 ]}

ระบบที่ใช้กับ ดักไอออนเป็นสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการจำลองปฏิสัมพันธ์ในแบบจำลองสปินควอนตั ม ^{[ 18 ]}เครื่อง จำลอง ไอออนที่ถูกดักจับซึ่งสร้างโดยทีมงานที่รวมถึงNISTสามารถออกแบบและควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างบิตควอนตัม (qubits) หลายร้อยบิตได้ ^{[ 19 ]}ความพยายามก่อนหน้านี้ไม่สามารถก้าวไปไกลกว่า 30 บิตควอนตัม ความสามารถของเครื่องจำลองนี้มากกว่าอุปกรณ์ก่อนหน้านี้ถึง 10 เท่า ได้ผ่านการทดสอบมาตรฐานที่สำคัญหลายชุด ซึ่งบ่งชี้ถึงความสามารถในการแก้ปัญหาในวิทยาศาสตร์วัสดุที่ไม่สามารถจำลองได้บนคอมพิวเตอร์ทั่วไป

เครื่องจำลองไอออนดักจับประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กที่มีระนาบเดียว ซึ่งประกอบด้วยไอออนเบริลเลียม หลายร้อยไอออน มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร ลอยอยู่ภายในอุปกรณ์ที่เรียกว่ากับดักเพนนิงอิเล็กตรอนวงนอกสุดของแต่ละไอออนทำหน้าที่เป็นแม่เหล็กควอนตัม ขนาดเล็ก และถูกใช้เป็นคิวบิต ซึ่งเป็นค่าควอนตัมเทียบเท่ากับ "1" หรือ "0" ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป ในการทดลองเปรียบเทียบประสิทธิภาพ นักฟิสิกส์ใช้ลำแสงเลเซอร์เพื่อทำให้ไอออนเย็นลงจนเกือบถึงศูนย์สัมบูรณ์ จากนั้นจึงใช้คลื่นไมโครเวฟและพัลส์เลเซอร์ ที่กำหนดเวลาอย่างระมัดระวัง เพื่อทำให้คิวบิตมีปฏิสัมพันธ์กัน เลียนแบบพฤติกรรมควอนตัมของวัสดุที่ยากต่อการศึกษาในห้องปฏิบัติการ แม้ว่าระบบทั้งสองอาจดูแตกต่างกันภายนอก แต่พฤติกรรมของมันถูกออกแบบมาให้เหมือนกันทางคณิตศาสตร์ ด้วยวิธีนี้ เครื่องจำลองช่วยให้นักวิจัยสามารถเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในของแข็งตามธรรมชาติ เช่นระยะห่างของโครงสร้าง อะตอม และรูปทรงเรขาคณิต

Friedenauer และคณะ ได้ทำการจัดการสปิน 2 ตัวแบบอะเดียแบติก โดยแสดงให้เห็นการแยกออกเป็นสถานะเฟอร์โรแมกเนติกและแอนติเฟอร์โรแมกเนติก^{[ 20 ]} Kim และคณะ ได้ขยายเครื่องจำลองควอนตัมไอออนที่ถูกดักจับไปถึง 3 สปิน โดยมีปฏิสัมพันธ์ Ising แอนติเฟอร์โรแมกเนติกทั่วโลกที่มีลักษณะความขัดแย้ง และแสดงให้เห็นความเชื่อมโยงระหว่างความขัดแย้งและการพันกัน^{[ 21 ]} และ Islam และคณะ ได้ใช้การจำลองควอนตัมแบบอะเดียแบติกเพื่อแสดงให้เห็นถึงความคมชัดของการเปลี่ยนเฟสระหว่างการเรียงตัวแบบพาราแมกเนติกและเฟอร์โรแมกเนติกเมื่อจำนวนสปินเพิ่มขึ้นจาก 2 เป็น 9 ^{[ 22 ]} Barreiro และคณะ ได้สร้างเครื่องจำลองควอนตัมดิจิทัลของสปินที่มีปฏิสัมพันธ์กันโดยมีไอออนที่ถูกดักจับได้มากถึง 5 ตัวโดยการเชื่อมต่อกับอ่างเก็บแบบเปิด^{[ 23 ]}และ Lanyon และคณะได้สาธิตการจำลองควอนตัมดิจิทัลที่มีไอออนมากถึง 6 ตัว^{[ 24 ]} Islam และคณะ ได้สาธิตการจำลองควอนตัมแบบอะเดียแบติกของแบบจำลอง Ising แนวขวางที่มีปฏิสัมพันธ์ระยะไกลที่แปรผันได้กับสปินไอออนที่ถูกดักจับได้มากถึง 18 ตัว โดยแสดงให้เห็นถึงการควบคุมระดับความขัดแย้งของสปินโดยการปรับช่วงปฏิสัมพันธ์แอนติเฟอร์โรแมกเนติก^{[ 25 ]} Britton และคณะ จาก NIST ได้ทำการวัดประสิทธิภาพเชิงทดลองของปฏิสัมพันธ์ Ising ในระบบที่มีคิวบิตหลายร้อยตัวสำหรับการศึกษาแม่เหล็กควอนตัม^{[ 19 ]} Pagano และคณะ ได้รายงานระบบดักจับไอออนแบบไครโอเจนิกใหม่ที่ออกแบบมาสำหรับการจัดเก็บสายโซ่ไอออนขนาดใหญ่เป็นเวลานาน โดยแสดงให้เห็นถึงการดำเนินการแบบหนึ่งและสองคิวบิตที่สอดคล้องกันสำหรับสายโซ่ที่มีไอออนมากถึง 44 ตัว^{[ 26 ]} Joshi และคณะ ได้ตรวจสอบพลวัตควอนตัมของไอออนที่ควบคุมได้ทีละตัวจำนวน 51 ตัว ทำให้เกิดสายโซ่สปินที่มีปฏิสัมพันธ์ระยะไกล^{[ 27 ]}

การทดลอง อะตอมเย็นยิ่งยวดจำนวนมากเป็นตัวอย่างของเครื่องจำลองควอนตัม ซึ่งรวมถึงการทดลองศึกษาโบซอนหรือเฟอร์มิออนในโครงตาข่ายแสง ก๊าซเฟอร์มิ เอกภาพ อาร์เรย์อะตอมริดเบิร์กในแหนบแสงจุดร่วมของการทดลองเหล่านี้คือความสามารถในการสร้างแฮมิลโทเนียนทั่วไป เช่น แฮ มิลโทเนียน ฮับบาร์ดหรือ แฮมิล โทเนียนไอซิงสนามตามขวางเป้าหมายหลักของการทดลองเหล่านี้รวมถึงการระบุเฟสอุณหภูมิต่ำหรือการติดตามพลวัตนอกสมดุลสำหรับแบบจำลองต่างๆ ซึ่งเป็นปัญหาที่ยากต่อการแก้ไขทางทฤษฎีและเชิงตัวเลข^{[ 28 ] [ 29 ]}การทดลองอื่นๆ ได้สร้างแบบจำลองสสารควบแน่นในระบอบที่ยากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างด้วยวัสดุทั่วไป เช่นแบบจำลองฮัลเดน^{และแบบจำลองฮาร์เปอร์-ฮอฟสตัดเตอร์ [ 30} ] [ ³¹ ] ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] หรือทฤษฎีเกจ}โครงตาข่ายจำลอง^{[ 35 ]}

เครื่องจำลองควอนตัมที่ใช้คิวบิตตัวนำยิ่งยวดแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ประการแรก เครื่องที่เรียกว่า ค วอนตัมแอนนีลเลอร์จะกำหนดสถานะพื้นฐานของแฮมิลโทเนียนบางอย่างหลังจากกระบวนการอะเดียแบติกแรมป์ ซึ่งบางครั้งเรียกว่าการคำนวณควอนตัมแบบอะเดียแบติก ประการที่สอง ระบบจำนวนมากจำลองแฮมิลโทเนียนเฉพาะและศึกษาคุณสมบัติสถานะพื้นฐานการเปลี่ยนเฟสควอนตัมหรือพลวัตเวลา^{[ 36 ]}ผลลัพธ์ที่สำคัญเมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้แก่ การสร้างฉนวนมอตต์ในระบบโบส-ฮับบาร์ด แบบขับเคลื่อนและกระจายพลังงาน และการศึกษาการเปลี่ยนเฟสในโครงตาข่ายของตัวเรโซเนเตอร์ตัวนำยิ่งยวดที่เชื่อมต่อกับคิวบิต^{[ 37 ] [ 38 ]}

• การจำลองแฮมิลโทเนียน
• เครื่องจักรทัวริงควอนตัม
• การคำนวณควอนตัม

• บทความของ Deutsch ปี 1985