Simulador quàntic

Un simulador quàntic és un sistema quàntic controlable que s'usa per a simular o emular atres sistemes quàntics. A semblança de lo que ocorre per als simuladors clàssics, es diu simulador quàntic digital a un ordenador quàntic de tipo general que s'ampra per a simulacions, i en principi és capaç de simular qualsevol atre sistema quàntic; en contrast, un simulador quàntic analògic és un sistema quàntic tal que pot ser manipulat de manera que simule el comportament d'algun sistema quàntic particular. La simulació quàntica va ser proposta per primera volta en 1982 per Richard Feynman, i en l'actualitat (2015) ya s'han realisat en èxit numerosos experiments consistents en simulacions quàntiques relativament senzilles, pero encara no existixen dispositius quàntics capaços de simular sistemes quàntics que per la seua complexitat siguen inabordables per al millor superordenador clàssic.

Simulació clàssica: digital i analògica

Artícul principal → Computadora analògica.

L'importància industrial de la simulació per a una societat tecnològicament alvançada solament es pot entendre posant-la en perspectiva històrica. Un eixemple fàcil de visualisar és el dels avions: durant els primers sigles de la història de l'aviació, calia construir i provar cada nou model d'aparat per a averiguar si era capaç d'alçar el vol. Esta incapacitat de calcular a priori el comportament d'un prototip suponia un gran cost de desenroll. En realitat, açò s'estenia a la majoria d'alvanços tecnològics: un atre eixemple és la història de l'automòvil. Hui en dia, gràcies a la capacitat tecnològica dels ordenadors i al desenroll teòric de la física i de l'ingenieria, en métodos com el dels elements finitos, és possible simular el comportament i propietats de pràcticament tots els objectes abans de construir-los, des d'edificis i vehículs a les més senzilles ferramentes. Este procés, en portar-se a terme per mig d'ordenadors (digitals), és lo que es diu simulació digital.

La simulació analògica d'un objecte o d'un procés és un procés fonamentalment distint. En lloc d'amprar un dispositiu digital de càlcul (un ordenador), que en principi és aplicable a qualsevol tipo de tasca, s'utilisa un dispositiu que es comporta de forma anàloga, és dir, que imita a un objecte particular o a un procés particular. Normalment, l'analogia no és aparent sino matemàtica, i és possible sempre que el procés simulat i el procés simulador es descriuen per equacions de moviment que tenen la mateixa forma. En atres paraules, tenim un sistema A, descrit per paràmetros a₁, a₂,... i que a un temps t té un comportament que ve dau per f(a₁,a₂...); per un atre costat tenim un sistema B, descrit per paràmetros b₁, b₂,... i que a un temps t té un comportament que ve dau per f(b₁,b₂...). Sense importar qué significat físic tinguen els paràmetros en A i en B, els dos sistemes són anàlecs si les dos funciones f(a₁,a₂...) i f(b₁,b₂...) tenen la mateixa forma matemàtica. Aixina, si som capaços de controlar els paràmetros b₁, b₂,... i medir f(b₁,b₂...), podrem calcular el comportament f(a₁,a₂...) per al conjunt anàlec de paràmetros a₁, a₂,... que pot no ser accessible experimentalment.

En este aspecte són rellevants les analogia amprades per a simulació de multitut de processos per mig de circuits elèctrics composts per bobinas, resistències i condensadores. Aixina, en el context dels osciladors harmònics, és possible descriure un sistema mecànic oscilante els elements del qual estiguen conectats en paralel per mig d'equacions anàlogues a les d'un sistema elèctric els elements del qual estan conectats en série: la càrrega elèctrica és anàloga a la posició de l'oscilador, la massa és anàloga a l'inductància, la força és anàloga al voltage i aixina successivament. Per la seua importància històrica és comuna senyalar que, fins als anys 1970, el modelaje d'aqüífers també es portava a terme per mig d'este tipo de simulació. En este cas, les resistències simulen la transmisividad o permeabilidad del sol, i els condensadores simulen la capacitat d'almagasenament del sol, el voltage simula la pressió d'aigua i la corrent elèctrica simulen la corrent de l'aigua.

Història de la simulació quàntica

El simulador quàntic universal és un tipo de computador quàntic que va ser propost per Richard Feynman en 1982, estenent les idees de la computació analògica als sistemes descrits per la mecànica quàntica. Feynman va mostrar que una màquina de Turing clàssica que simulara fenomens quàntics tindria un cost exponencial, front al que tindria un atre sistema quàntic. Açò es deu al creiximent de recursos necessaris per a descriure clásicamente un espai de Hilbert quàntic, alguna cosa que no és necessari si s'ampra un espai de Hilbert anàlec. David Deutsch en 1985 va estendre estes idees i va descriure un computador quàntic universal. En 1996, Seth Lloyd va mostrar que un computador quàntic estàndar pot ser programat per a simular eficientemente qualsevol atre sistema quàntic local.

En realitat, en l'actualitat la simulació quàntica practicable no és l'universal (de tipo digital) sino la de tipo analògic, que es descriu a continuació. Per un costat, hi ha un sistema quàntic A que resulta difícil o impossible de controlar i que està descrit per un Hamiltoniano H_A la resolució del qual és enormement costosa per mig d'un superordenador clàssic digital. Per un atre costat, hi ha un sistema quàntic B sobre el que es té un alt grau de control i que pot ser descrit per un Hamiltoniano H_B que té la mateixa forma matemàtica que H_A. Coneixent l'analogia matemàtica entre H_A i H_B i controlant els paràmetros del Hamiltoniano H_B, en medir experimentalment l'estat final del sistema B es resol, per analogia, el sistema A para el conjunt de paràmetros que es desige.

En una entrevista en Matèria, Serge Haroche, premi Nobel de Física de 2012, explicava que la simulació quàntica posa “àtoms o fotons en una forma determinada i imita el seu comportament en un objecte sòlit real, pero a escala diferent. En un objecte sòlit els àtoms poden estar a una distància d'una dèu mil millonèsima part d'un metro. Ací podem posar-los a distàncies 1.000 o 10.000 voltes majors, controlar les seues interaccions i observar lo que succeïx, que és lo mateix que passa en certs materials reals que no podem observar a eixe detall”.