เครื่องจำลองควอนตัมแบบอะตอมริดเบิร์ก
ควอนตัมคอมพิวเตอร์และการจำลองควอนตัมที่สามารถจำแนกได้ตามความจำเป็นในการมีการปรับแก้ข้อผิดพลาดนี้แยกได้เป็น 2 ประเภท คือ แบบอนาล็อก (ตัวดำเนินการที่ออกแบบจากปัญหา) และ แบบดิจิทัล (ตัวดำเนินการบนพื้นฐานของเกตอเนกประสงค์) ในบางสถานการณ์ที่ชุดของเกตอเนกประสงค์นั้นไม่สมบูรณ์ และ ไม่มีการการันตีด้วยการปรับและลดความคลาดเคลื่อน การแก้ปัญหาจึงจำเป็นต้องมีการออกแบบพิเศษสำหรับแต่ละระบบควอนตัมหลายอนุภาคที่สนใจ นี่จึงเป็นเหตุให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบดิจิทัลได้ถูกนำมาพิจารณาเป็นเครื่องจำลองควอนตัมแบบดิจิทัลซึ่งเป็นระบบการทดลองจำลองระบบที่ไม่ซับซ้อน ทั้งนี้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ดีจำเป็นต้อง 1) มีความเกี่ยวข้องกับการใช้งาน และ/หรือ ความเข้าใจ 2) สามารถควบคุมการเตรียม, เริ่มต้น, จัดการ, เปลี่ยนแปลง และตรวจวัดสถานะ 3) สามารถระบุได้เชิงสถิติภายใต้ความคลาดเคลื่อนที่กำหนด 4) มีประสิทธิภาพกว่าวิธีการแบบฉบับ
กรณีที่ไม่สามารถสร้างระบบหนึ่งๆขึ้นมาจากเทคโนโลยีที่มีในปัจจุบันได้ การจำลองทางควอนตัมที่เกิดจากการประยุกต์ใช้ระบบควอนตัมที่ถูกควบคุมอย่างดี 1 ระบบสามารถนำมาใช้เพื่อจำลองระบบควอนตัมหลายอนุภาคนั้นๆได้ ไม่ว่าจะเป็นระบบทางด้านฟิสิกส์สสารควบแน่น, ฟิสิกส์พลังงานสูง, ฟิสิกส์อะตอม, ควอนตัมเคมี หรือ จักรวาลวิทยา ที่วิธีการแบบฉบับไม่สามารถสร้างแบบจำลองขึ้นมาได้
เทคโนโลยีควอนตัม: อะตอมที่เป็นกลางถูกพิจารณาให้เป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีศักยภาพในการนำมาใช้เป็นตัวจำลองควอนตัมทั้งแบบดิจิทัลและอนาล็อกเนื่องจากมีคุณสมบัติดังนี้ 1) มีเวลาในการคงไว้ซึ่งคุณสมบัติทางควอนตัมที่นาน 2)ความสามารถในการปรับอันตรกิริยาระหว่างสถานะริดเบิร์ก 3) มีสภาพการเกิดขั้วที่สูง (µn7) 4) อายุขัยยาว (µn3) 5) มีระดับแห่งความเป็นอิสระภายใน (internal degrees of freedom) ที่สูง 6) มีความยืดหยุ่นในด้านการจัดวางและด้านรูปแบบโครงสร้างของกับดักอะตอม 7) มีความสามารถในการเรียกใช้และจัดการข้อมูล และ 8) การดำเนินการและการเข้าถึงแต่ละคิวบิตได้แบบคู่ขนานซึ่งสามารถทำได้อยู่แล้วโดยโครงสร้างแบบตาข่าย (lattice) โดยที่วิธีการนำมาใช้จะเริ่มต้นจากนิยามคิวบิตจากสถานะการเคลื่อนที่ (motional state) และ สถานะภายใน (internal state) ของโครงสร้างกับดักและโครงสร้างภายในของอะตอมเย็นเดี่ยว ทั้งนี้ในการสร้างกับดักอะตอมเชิงแสงในสองมิติทำได้โดยการใช้แสงที่เลื่อนความถี่ให้น้อยกว่าความถี่สั่นพ้องมากๆ การทำสเปกโตรสโกปีแบบมาตรฐานโดยใช้เลเซอร์จะถูกนำมาใช้เพื่อเตรียมอะตอมในสถานะที่ต้องการอย่างแม่นยำ, ควบคุมคุณสมบัติควอนตัม (coherent control) และ เชื่อมต่ออะตอมทางควอนตัมด้วยอันตรกิริยาแบบไดโพล-ไดโพล ด้วยตัวของกับดักแองและสนามที่ให้เพิ่มเข้าไปจะทำให้สามารถเลือกวิธีการควบคุมคุณสมบัติควอนตัมของสถานะการเคลื่อนที่และสถานะภายในได้อย่างหลากหลาย โดยทั้งนี้การทำความเย็นด้วยแบบรามาแถบข้าง (Raman sideband cooling) ในแต่ละกับดักนั้นมีความสำคัญแต่ไม่จำเป็นในระหว่างขั้นตอนการดำเนินการเกต จากนั้นฮามิลโตเนียนหรือลักษณะจำเพาะของระบบที่ถูกออกแบบไว้ให้ตรงกับระบบที่เราสนใจจะถูกป้อนไว้ในพัลซ์ของเลเซอรและสนามภายนอกที่ให้กับระบบ สุดท้ายนี้หลังจากป้อนอนุกรมของตัวดำเนินการเกตเข้าไปที่ระบบ การวัดจะถูกทำบนอะตอมแต่ละตัว
การใช้ประโยชน์อื่นๆ: ปัญหาที่ยากมากๆในเชิงทฤษฎีและการคำนวณ เช่น การสร้างฮับบาร์ตหรือสนามแบบขวางในฮามิลโตเนียนของไอซิ่ง, จำลองแบบจำลอง Haldane และ แบบจำลอง Harper-Hofstadter, การระบุเฟสทางควอนตัมใหม่ๆ, ติดตามพลศาสตร์ที่ไม่อยู่ที่จุดสมดุล เป็นต้น
การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: –
เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: ระบบโมเลกุลมีขั้ว, กับดักไอออน, ระบบแสง, อิเลคตรอนในสารกึ่งตัวนำซึ่งรวมไปถึงควอนตัมดอท, วงจรตัวนำยิ่งยวด
ระบบสนับสนุน: –
ภาพที่ 24 (ซ้าย) ชุดการทดลองสำหรับดักจับอะตอมเดี่ยว (ขวาบน) ภาพอะตอมเดี่ยวในสองมิติที่ถูกดักจับในตาข่ายเชิงแสงแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ล่างขวา) ภาพการเรียงอะตอมเป็นรูปแบบวงแหวน และ หอไอเฟลใน 3 มิติ