Analog and digital quantum simulation

Mô phỏng lượng tử (quantum simulation) là việc sử dụng một hệ lượng tử có thể kiểm soát để nghiên cứu hành vi của một hệ lượng tử khác—chẳng hạn phân tử, vật liệu, nam châm lượng tử hoặc phản ứng hóa học. Có hai cách tiếp cận chính: analog quantum simulation và digital quantum simulation.

(Nguồn: https://www.researchgate.net/figure/Analog-versus-digital-computing-on-the-different-quantum-and-neuromorphic-platforms_fig1_342520394)

Analog quantum simulator

Thiết bị được thiết kế để bắt chước trực tiếp một hệ vật lý cụ thể. Hệ tiến hóa liên tục dưới một Hamiltonian được kiểm soát. 

Ưu điểm:

• yêu cầu chất lượng qubit có thể thấp hơn;
• không cần phân rã toàn bộ quá trình thành hàng nghìn cổng;
• phù hợp với một số bài toán vật lý nhiều hạt.

Hạn chế:

• ít linh hoạt;
• thường chuyên biệt cho một nhóm bài toán;
• khó kiểm chứng kết quả ở quy mô mà máy cổ điển không còn mô phỏng được.

 

(Nguồn: https://www.researchgate.net/publication/382827280_Going_beyond_gadgets_the_importance_of_scalability_for_analogue_quantum_simulators )

Digital quantum simulation

Sử dụng chuỗi cổng lượng tử để mô phỏng quá trình tiến hóa. Thay vì tạo ra một hệ vật lý tương tự, nhà khoa học biểu diễn trạng thái của hệ bằng qubit, chuyển Hamiltonian thành một chuỗi phép toán lượng tử, thực hiện các cổng lượng tử theo trình tự, đo kết quả. Và lặp lại nhiều lần để ước lượng các đại lượng cần quan tâm.

Cách tiếp cận này gần giống mô phỏng số trên máy tính thông thường: một quá trình liên tục được chia thành nhiều bước nhỏ. Điểm khác biệt là các bước được thực hiện bằng cổng lượng tử trên qubit.

Ưu điểm:

• có khả năng lập trình;
• linh hoạt hơn;
• về lý thuyết có thể mô phỏng nhiều loại hệ thống.

Hạn chế:

• mỗi cổng lượng tử có thể tạo thêm sai số;
• cần thiết bị ổn định;
• những bài toán lớn có thể cần sửa lỗi lượng tử.

Người ta nhận định rằng mô phỏng analog có thể mang lại giá trị nghiên cứu sớm hơn, trong khi mô phỏng số có tiềm năng tổng quát hơn về dài hạn.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.quera.com/glossary/analog-quantum-computing
• https://www.pasqal.com/technology/analog-and-digital-in-quantum-computing/
• https://quantumcomputing.stackexchange.com/questions/40267/what-is-the-difference-between-digital-and-analog-quantum-computing
• https://www.ryanlarose.com/uploads/1/1/5/8/115879647/analogueqs_part1.pdf