Ein Quantensimulator ist eine kleine Klasse von Quantencomputern, die die Wechselwirkungen zwischen Quantenbits so steuern, dass sie bestimmte Quantenprobleme simulieren können, die ansonsten schwer zu modellieren sind. Quantensimulatoren ermöglichen die Untersuchung von Quantensystemen, die im Labor schwer zu untersuchen und mit Nicht-Quanten-Supercomputern nicht zu modellieren sind. Simulatoren sind spezielle Geräte, mit denen ein bestimmtes Fach der Physik studiert werden kann. Sie sind also keine Generalisten.
Ein universeller Quantensimulator ist ein Quantencomputer, wie er 1982 von Richard Feynman vorgeschlagen wurde . Feynman zeigte, dass eine klassische Turing-Maschine , die Quantenphänomene simuliert, eine exponentielle Zunahme ihrer Rechenzeit erfahren würde, während ein hypothetischer Quantencomputer diese Zunahme nicht erfahren würde. David Deutsch nahm 1985 Feynmans Ideen auf und schlug einen universellen Quantenrechner vor. 1996 zeigte Seth Lloyd , dass ein Standard- Quantencomputer so programmiert werden kann, dass lokale Quantensysteme effizient simuliert werden.
Quantensimulatoren wurden insbesondere unter Verwendung von Systemen aus ultrakalten Quantengasen, eingefangenen Ionen, photonischen Systemen, Quantenpunkten und supraleitenden Schaltkreisen durchgeführt.
Quantensimulatoren nutzen eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die als Überlagerung bezeichnet wird und bei der derselbe Quantenzustand für eine bestimmte beobachtbare Größe mehrere Werte haben kann. Somit beträgt die Anzahl gleichzeitig existierender Zustände für 3 Qubits beispielsweise 8, und diese Anzahl wächst exponentiell mit der Anzahl von Qubits: 2 N Zustände für N Qubits.
Ein Quantensimulator kann auch eine zweite Quanteneigenschaft verwenden, die als Verschränkung zwischen Qubits bezeichnet wird, so dass selbst physikalisch getrennte Teilchen eng miteinander verbunden werden können.
Der Unterschied zwischen einem universellen Quantencomputer und einem Quantensimulator besteht darin, dass ein Quantensimulator gebaut wurde, um ein bestimmtes physikalisches Problem zu untersuchen, während ein universeller Quantencomputer in der Lage sein muss, jede Gleichung zu lösen. Ein Quantencomputer benötigt eine niedrigere Fehlerrate als ein Quantensimulator. Der Bau eines Quantencomputers ist schwieriger als der Bau eines Simulators.