क्वांटम सिमुलेटर

क्वांटम सिमुलेटर एक प्रोग्रामेबल फैशन में क्वांटम प्रणाली  के अध्ययन की अनुमति देते हैं। इस उदाहरण में, सिमुलेटर विशेष प्रयोजन के उपकरण हैं जिन्हें विशिष्ट भौतिकी समस्याओं के बारे में जानकारी प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।   क्वांटम सिमुलेटर की तुलना आम तौर पर प्रोग्राम करने योग्य डिजिटल  क्वांटम कम्प्यूटिंग  से की जा सकती है, जो क्वांटम समस्याओं की एक विस्तृत श्रेणी को हल करने में सक्षम होगी।

एक सार्वभौमिक क्वांटम सिम्युलेटर 1980 में यूरी मैनिन द्वारा प्रस्तावित एक एक कंप्यूटर जितना  है और 1982 में रिचर्ड फेनमैन। फेनमैन ने दिखाया कि एक शास्त्रीय ट्यूरिंग मशीन एक क्वांटम प्रभाव का अनुकरण करने में सक्षम नहीं होगी, जबकि उसका काल्पनिक सार्वभौमिक क्वांटम कंप्यूटर आवश्यक क्वांटम प्रभाव की नकल करने में सक्षम होगा। मूल प्रणाली में कणों की संख्या के समान कई qubit  का उपयोग करके क्वांटम कंप्यूटर द्वारा कई कणों की एक क्वांटम प्रणाली का अनुकरण किया जा सकता है। इसे क्वांटम सिस्टम के बहुत बड़े वर्गों तक बढ़ा दिया गया है। क्वांटम सिमुलेटर को कई प्रायोगिक प्लेटफार्मों पर महसूस किया गया है, जिसमें अतिशीत परमाणु, ध्रुवीय अणु, ट्रैप्ड आयन, फोटोनिक सिस्टम, क्वांटम डॉट्स और सुपरकंडक्टिंग सर्किट शामिल हैं।

भौतिकी की समस्याओं को हल करना
भौतिकी में कई महत्वपूर्ण समस्याएं, विशेष रूप से ऊष्मप्रवैगिकी | कम तापमान भौतिकी और कई-पिंड सिद्धांत | कई-पिंड भौतिकी, खराब समझी जाती हैं क्योंकि अंतर्निहित क्वांटम यांत्रिकी बहुत जटिल है। सुपरकंप्यूटर समेत परंपरागत कंप्यूटर क्वांटम सिस्टम को कम से कम 30 कणों के साथ अनुकरण करने के लिए अपर्याप्त हैं क्योंकि हिल्बर्ट अंतरिक्ष का आयाम कण संख्या के साथ तेजी से बढ़ता है। सामग्री को समझने और तर्कसंगत रूप से डिजाइन करने के लिए बेहतर कम्प्यूटेशनल टूल की आवश्यकता होती है, जिनके गुणों को सैकड़ों कणों के सामूहिक क्वांटम यांत्रिकी पर निर्भर माना जाता है। क्वांटम सिमुलेटर इन प्रणालियों के गुणों को समझने के लिए एक वैकल्पिक मार्ग प्रदान करते हैं। ये सिमुलेटर ब्याज की विशिष्ट प्रणालियों के स्वच्छ अहसास पैदा करते हैं, जो उनके गुणों की सटीक प्राप्ति की अनुमति देता है। सिस्टम के मापदंडों पर सटीक नियंत्रण और व्यापक ट्यूनेबिलिटी विभिन्न मापदंडों के प्रभाव को साफ-सुथरा करने की अनुमति देती है।

क्वांटम सिमुलेटर उन समस्याओं को हल कर सकते हैं जो शास्त्रीय कंप्यूटरों पर अनुकरण करना मुश्किल है क्योंकि वे वास्तविक कणों के क्वांटम गुणों का सीधे शोषण करते हैं। विशेष रूप से, वे क्वांटम यांत्रिकी की एक संपत्ति का उपयोग करते हैं जिसे क्वांटम सुपरइम्पोजिशन  कहा जाता है, जिसमें एक क्वांटम कण को ​​एक ही समय में दो अलग-अलग अवस्थाओं में बनाया जाता है, उदाहरण के लिए, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ संरेखित और विरोधी-संरेखित। महत्वपूर्ण रूप से, सिमुलेटर क्वांटम उलझाव नामक दूसरी क्वांटम संपत्ति का भी लाभ उठाते हैं, जिससे शारीरिक रूप से अच्छी तरह से अलग कणों के व्यवहार को भी सहसंबद्ध किया जा सकता है। समय क्रिस्टल # प्रयोग प्राप्त करने के लिए हाल ही में क्वांटम सिमुलेटर का उपयोग किया गया है और क्वांटम स्पिन लिक्विड#टोरिक कोड प्रकार।

ट्रैप्ड-आयन सिमुलेटर
आयन जाल आधारित प्रणाली क्वांटम स्पिन मॉडल में बातचीत के अनुकरण के लिए एक आदर्श सेटिंग बनाती है। एक आयन ट्रैप | ट्रैप्ड-आयन सिम्युलेटर, जिसे एक टीम द्वारा बनाया गया है जिसमें NIST शामिल है, सैकड़ों कितना ्स (qubits) के बीच बातचीत को इंजीनियर और नियंत्रित कर सकता है। पिछले प्रयास 30 क्वांटम बिट्स से आगे जाने में असमर्थ थे। इस सिम्युलेटर की क्षमता पिछले उपकरणों की तुलना में 10 गुना अधिक है। इसने महत्वपूर्ण बेंचमार्किंग परीक्षणों की एक श्रृंखला पारित की है जो सामग्री विज्ञान में उन समस्याओं को हल करने की क्षमता का संकेत देते हैं जिन्हें पारंपरिक कंप्यूटरों पर मॉडल करना असंभव है।

ट्रैप्ड-आयन सिम्युलेटर में सैकड़ों फीरोज़ा  का एक छोटा, सिंगल-प्लेन क्रिस्टल होता है, जिसका व्यास 1 मिलीमीटर से कम होता है, जो पेनिंग ट्रैप नामक उपकरण के अंदर मँडराता है। प्रत्येक आयन का सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन एक छोटे क्वांटम चुंबक के रूप में कार्य करता है और एक क्यूबिट के रूप में उपयोग किया जाता है, एक पारंपरिक कंप्यूटर में "1" या "0" के बराबर क्वांटम। बेंचमार्किंग प्रयोग में, भौतिकविदों ने आयनों को पूर्ण शून्य के करीब ठंडा करने के लिए लेजर बीम का इस्तेमाल किया। सावधानी से माइक्रोवेव और लेजर दालों को समयबद्ध करने के बाद क्वैबिट्स को परस्पर क्रिया करने का कारण बना, सामग्री के क्वांटम व्यवहार की नकल करना अन्यथा प्रयोगशाला में अध्ययन करना बहुत मुश्किल था। यद्यपि दोनों प्रणालियाँ बाह्य रूप से भिन्न दिखाई दे सकती हैं, उनका व्यवहार गणितीय रूप से समान होने के लिए इंजीनियर है। इस तरह, सिमुलेटर शोधकर्ताओं को उन मापदंडों को अलग-अलग करने की अनुमति देते हैं जिन्हें प्राकृतिक ठोस पदार्थों में नहीं बदला जा सकता है, जैसे कि परमाणु जाली रिक्ति और ज्यामिति।

फ्रीडेनॉयर एट अल।, फेरोमैग्नेटिक और एंटीफेरोमैग्नेटिक स्टेट्स में उनके अलगाव को दिखाते हुए एडिएबेटिक रूप से 2 स्पिन में हेरफेर किया। किम एट अल।, फंसे हुए आयन क्वांटम सिम्युलेटर को 3 स्पिन तक बढ़ाया, वैश्विक एंटीफेरोमैग्नेटिक ईज़िंग इंटरैक्शन में निराशा की विशेषता है और हताशा और उलझाव के बीच की कड़ी को दर्शाता है। और इस्लाम एट अल।, पैरामैग्नेटिक और फेरोमैग्नेटिक ऑर्डरिंग के बीच चरण संक्रमण को तेज करने के लिए एडियाबेटिक क्वांटम सिमुलेशन का इस्तेमाल किया, क्योंकि स्पिन की संख्या 2 से बढ़कर 9 हो गई। बैरेइरो एट अल। एक खुले जलाशय में युग्मन द्वारा 5 फंसे हुए आयनों के साथ परस्पर क्रिया करने का एक डिजिटल क्वांटम सिम्युलेटर बनाया और ल्योन एट अल। 6 आयनों तक के साथ डिजिटल क्वांटम सिमुलेशन का प्रदर्शन किया। इस्लाम, एट अल।, ने 18 ट्रैप्ड आयन स्पिन के साथ चर (लंबी) रेंज इंटरैक्शन के साथ अनुप्रस्थ आइसिंग मॉडल के एडियाबेटिक क्वांटम सिमुलेशन का प्रदर्शन किया, जो एंटीफेरोमैग्नेटिक इंटरेक्शन रेंज को समायोजित करके स्पिन फ्रस्ट्रेशन के स्तर को नियंत्रित करता है। ब्रिटन, एट अल। NIST से क्वांटम चुंबकत्व के अध्ययन के लिए प्रयोगात्मक रूप से सैकड़ों qubits की एक प्रणाली में Ising इंटरैक्शन को बेंचमार्क किया गया है। पगानो, एट अल।, ने एक नई क्रायोजेनिक आयन ट्रैपिंग प्रणाली की सूचना दी, जो कि बड़े आयन श्रृंखलाओं के लंबे समय तक भंडारण के लिए डिज़ाइन की गई है, जो 44 आयनों तक की श्रृंखलाओं के लिए सुसंगत एक और दो-क्विबिट संचालन का प्रदर्शन करती है। जोशी और अन्य ने 51 अलग-अलग नियंत्रित आयनों की क्वांटम गतिशीलता की जांच की, जिससे एक लंबी दूरी की परस्पर क्रिया करने वाली स्पिन श्रृंखला का एहसास हुआ।

अल्ट्राकोल्ड एटम सिमुलेटर
कई अल्ट्राकोल्ड एटम प्रयोग क्वांटम सिमुलेटर के उदाहरण हैं। इनमें ऑप्टिकल जाली  में बोस-[[हबर्ड मॉडल]] या फर्मी-हबर्ड मॉडल, ऑप्टिकल चिमटी में एकात्मक फर्मी गैस, रिडबर्ग परमाणु सरणियों का अध्ययन करने वाले प्रयोग शामिल हैं। इन प्रयोगों के लिए एक सामान्य धागा जेनेरिक हैमिल्टन को साकार करने की क्षमता है, जैसे कि हबर्ड मॉडल या आइसिंग मॉडल | अनुप्रस्थ-क्षेत्र आइसिंग हैमिल्टनियन। इन प्रयोगों के प्रमुख उद्देश्यों में विभिन्न मॉडलों के लिए निम्न-तापमान चरणों की पहचान करना या संतुलन से बाहर की गतिशीलता को ट्रैक करना शामिल है, जो सैद्धांतिक और संख्यात्मक रूप से जटिल हैं।  अन्य प्रयोगों ने शासन में संघनित पदार्थ के मॉडल को महसूस किया है जो पारंपरिक सामग्री, जैसे क्वांटम स्पिन हॉल प्रभाव और क्वांटम हॉल प्रभाव | हार्पर-हॉफस्टैटर मॉडल के साथ महसूस करना मुश्किल या असंभव है।

अतिचालक qubits
अतिचालक qubits का उपयोग करने वाले क्वांटम सिमुलेटर दो मुख्य श्रेणियों में आते हैं। सबसे पहले, तथाकथित क्वांटम एनीलिंग एक एडियाबेटिक रैंप के बाद कुछ हैमिल्टन के जमीनी राज्यों का निर्धारण करता है। इस दृष्टिकोण को कभी-कभी रुद्धोष्म क्वांटम कंप्यूटिंग कहा जाता है। दूसरा, कई प्रणालियाँ विशिष्ट हैमिल्टनियन का अनुकरण करती हैं और उनकी जमीनी अवस्था के गुणों, क्वांटम चरण संक्रमण या समय की गतिशीलता का अध्ययन करती हैं। कई महत्वपूर्ण हालिया परिणामों में एक चालित-विघटनकारी बोस-हबर्ड मॉडल में एक मोट इंसुलेटर की प्राप्ति शामिल है। बोस-हबर्ड प्रणाली और सुपरकंडक्टिंग रेज़ोनेटर के लैटिस में फेज़ ट्रांज़िशन का अध्ययन क्विबिट्स से जुड़ा है।

यह भी देखें

 * हैमिल्टनियन सिमुलेशन
 * क्वांटम ट्यूरिंग मशीन
 * क्वांटम कम्प्यूटिंग

बाहरी संबंध

 * Deutsch's 1985 paper
 * Online Web-based Quantum Computer Simulator (University Of Patras, Wire Communications Laboratory)