حوزه‌های تخصصی فناوری‌های کوانتومی

شبیه‌سازی کوانتومی

حوزه شبیه سازی کوانتومی به دو بخش شبیه سازی آزمایشگاهی و شبیه سازی کامپیوتری تقسیم می شود. در شبیه سازی آزمایشگاهی کوانتومی، از سیستم های کوانتومی که قابلیت کنترل پذیری دارند برای بازتولید رفتار سیستم¬های کوانتومی غیرقابل دسترس که بررسی آن ها در آزمایشگاه دشوار است استفاده می شود.

حوزه شبیه سازی کوانتومی به دو بخش شبیه سازی آزمایشگاهی و شبیه سازی کامپیوتری تقسیم می شود.
در شبیه سازی آزمایشگاهی کوانتومی، از سیستم های کوانتومی که قابلیت کنترل پذیری دارند برای بازتولید رفتار سیستم های کوانتومی غیرقابل دسترس که بررسی آن ها در آزمایشگاه دشوار است استفاده می شود. معمولا شبیه سازی این موارد برای رایانه های کلاسیک استاندارد ناکارآمد است. به طور کلی، شبیه-سازی کلاسیکی سیستم های کوانتومی نیازمند منابع زیادی است که با بزرگ شدن اندازه سیستم افزایش پیدا می کند، زیرا بعد فضای هیلبرت (فضای کلاسیکی) با اندازه سیستم رابطه ای نمایی دارد. روش‌های عددی مانند روش های شبکه‌های تانسوری، گروه های نرمال‌سازی ماتریس چگالی و همچنین روش کوانتومی مونت کارلو، قابلیت محاسبه خواص حالت پایه در حالت های مشخصی را دارد. چنین شبیه سازی های کلاسیکی تنها برای دسته محدودی از مسائل قابل استفاده بوده که محدودیت های خاص خود را دارند. به عنوان مثال اندازه های سیستم هایی که می توانند به صورت عددی با کامپیوترهای کلاسیک مورد مطالعه قرار گیرند، اغلب بسیار کوچک بوده و این ابزار کلاسیکی قابلیت و توانمندی کافی جهت درک پیچیدگی کامل پدیده های کوانتومی بس ذره ای را ندارد. در عمل، یک شبیه ساز کوانتومی،  سیستم کوانتومی فیزیکی است که با دقت بالایی تهیه شده و یا به نحوی دستکاری شده که بتواند امکان شناخت ویژگی مورد نظر از یک سیستم پیچیده کوانتومی یا کلاسیکی دارای برهم کنش های درونی را فراهم نماید. به طور ویژه می توان گفت:
•    یک شبیه ساز کوانتومی، سیستمی تجربی است که بتواند یک سیستم کوانتومی برهم‌کنش کننده با درجه آزادی زیاد (در شاخه هایی مانند ماده چگال، فیزیک انرژی ـ بالا، شیمی کوانتومی و کیهان شناسی) را مشابه سازی کند.
•    مدل های شبیه‌سازی شده باید بتوانند یک مسئله چالش بر انگیز را مورد هدف بررسی قرار داده و درک ما را در آن زمینه بالا ببرند.
•    مدل های شبیه‌سازی شده باید به لحاظ محاسباتی برای یک کامپیوتر کلاسیکی غیر قابل انجام و یا دشوار باشند.
•    شبیه ساز کوانتومی باید امکان کنترل گسترده پارامترهای مدل شبیه سازی شده و همچنین کنترل آماده‌سازی، دست کاری و نمایان سازی حالت های سیستم را در اختیار ما قرار دهد. این خصیصه می تواند برای تست مدل ها و فرضیه ها در یک دامنه پارامتری گسترده و اسلوب دقیق مورد استفاده قرار گیرد.
شبیه‌سازهای کوانتومی استاتیک، خواص استاتیک سیستم‌های برهم‌کنش کننده شامل ویژگی های حالت پایه را با استفاده از آنییلرهای کوانتومی و شبیه‌ساز‌های دینامیک کوانتومی،  بررسی می کنند.
تعدادی از سیستم های فیزیکی که  برای شبیه‌سازی کوانتومی می توانند مورد استفاده قرار گیرند، عبارت اند از:
•    گازهای کوانتومی اتمی و مولکولی فوق سرد، به ویژه سیستم های اتم های سرد که در شبکه های نوری یا سیستم های پیوسته محدود شده با تراشه های اتمی
•    یون های فوق العاده سرد به دام افتاده
•    میعانات گازی قطبی در نانوساختارهای نیمه هادی
•    الکترودینامیک کوانتومی حفره مبتنی بر مدار
•    آرایه¬های نقطه کوانتومی
•    جابجایی جوزفسون و کیوبیت های ابررسانایی که پیشتر در برنامه های کاربردی تجاری در آنیلرهای کوانتومی کاربرد داشتند
•    سیستم¬های فوتونی
به طور کلی هدف از شبیه¬سازی کوانتومی عبارت است از: شناسایی مدل های جالب و مهم که برای شبیه سازی¬های کلاسیک به صورت محاسباتی دشوار هستند، توسعه ابزار اعتبارسنجی و تایید نتایج حاصل از شبیه سازهای کوانتومی و همچنین طراحی چیدمان های آزمایشی و کاربردی با اندازه کافی و در عین حال دارای تعداد درجه آزادی بالا برای کنترل پارامترهای کوانتومی آن.
شبیه¬سازی کامپیوتری که یکی از شاخه های مهم در حوزه علوم کوانتومی است، در حوزه شیمی و فیزیک کوانتومی محاسباتی قرار دارد که در آن، مدلسازی سیستم های فیزیکی، شیمیایی، زیستی و علوم شناختی با به¬کار گیری مدل های کوانتومی انجام می¬گیرد.
فايل هاي مربوطه :