Quantum Simulators
Abstract
Quantum simulators are controllable quantum systems that can be used to simulate other quantum systems. Being able to tackle problems that are intractable on classical computers, quantum simulators would provide a means of exploring new physical phenomena. We present an overview of how quantum simulators may become a reality in the near future as the required technologies are now within reach. Quantum simulators, relying on the coherent control of neutral atoms, ions, photons, or electrons, would allow studying problems in various fields including condensed-matter physics, high-energy physics, cosmology, atomic physics, and quantum chemistry.
References (115)
- References and Notes
- R. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982).
- M. Lewenstein et al., Adv. Phys. 56, 243 (2007).
- See, e.g., the reviews in Insight: Quantum Coherence, Nature 453, 1003-1049 (2008).
- S. Lloyd, Science 273, 1073 (1996).
- A. Aspuru-Guzik, A. D. Dutoi, P. J. Love, M. Head-Gordon, Science 309, 1704 (2005).
- A. Friedenauer, H. Schmitz, J. T. Glückert, D. Porras, T. Schätz, Nat. Phys. 4, 757 (2008).
- D. Abrams, S. Lloyd, Phys. Rev. Lett. 79, 2586 (1997).
- R. Somma, G. Ortiz, J. E. Gubernatis, E. Knill, R. Laflamme, Phys. Rev. A 65, 042323 (2002).
- H. Wang, S. Ashhab, F. Nori, Phys. Rev. A 79, 042335 (2009).
- J. Emerson et al., Science 317, 1893 (2007).
- L.-A. Wu, M. Byrd, D. Lidar, Phys. Rev. Lett. 89, 057904 (2002).
- M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger, T. W. Hänsch, I. Bloch, Nature 415, 39 (2002).
- E. Manousakis, J. Low Temp. Phys. 126, 1501 (2002).
- A. Smirnov, S. Savel'ev, L. Mourokh, F. Nori, Eur. Phys. Lett. 80, 67008 (2007).
- S. Bravyi, D. P. DiVincenzo, D. Loss, B. M. Terhal, Phys. Rev. Lett. 101, 070503 (2008).
- W. Dür, M. J. Bremne, H. J. Briegel, Phys. Rev. A 78, 052325 (2008).
- K. R. Brown, R. J. Clark, I. L. Chuang, Phys. Rev. Lett. 97, 050504 (2006).
- D. S. Abrams, S. Lloyd, Phys. Rev. Lett. 83, 5162 (1999).
- D. A. Lidar, O. Biham, Phys. Rev. E 56, 3661 (1997).
- D. Jaksch, P. Zoller, Ann. Phys. 315, 52 (2005).
- M. J. Hartmann, F. G. S. L. Brandao, M. B. Plenio, Nat. Phys. 2, 849 (2006).
- A. D. Greentree, C. Tahan, J. H. Cole, L. C. L. Hollenberg, Nat. Phys. 2, 856 (2006).
- D. Porras, J. I. Cirac, Phys. Rev. Lett. 96, 250501 (2006).
- J. Chiaverini, W. E. Lybarger, Phys. Rev. A 77, 022324 (2008).
- R. Schmied, T. Roscilde, V. Murg, D. Porras, J. I. Cirac, N. J. Phys. 10, 045017 (2008).
- T. Byrnes, N. Y. Kim, K. Kusudo, Y. Yamamoto, Phys. Rev. B 78, 075320 (2008).
- A. van Oudenaarden, J. E. Mooij, Phys. Rev. Lett. 76, 4947 (1996).
- T. Yamamoto et al., Phys. Rev. B 77, 064505 (2008).
- P. M. Platzman, M. I. Dykman, Science 284, 1967 (1999).
- S. Mostame, R. Schützhold, Phys. Rev. Lett. 101, 220501 (2008).
- E. Jané, G. Vidal, W. Dür, P. Zoller, J. Cirac, Quant. Inf. Comput. 3, 15 (2003).
- P. Würtz, T. Langen, T. Gericke, A. Koglbauer, H. Ott, Phys. Rev. Lett. 103, 08040 (2009).
- K. G. H. Vollbrecht, J. I. Cirac, Phys. Rev. A 79, 042305 (2009).
- D. Leibfried et al., Phys. Rev. Lett. 89, 247901 (2002).
- J. Q. You, F. Nori, Phys. Today 58 (11), 42 (2005).
- S. Somaroo, C. H. Tseng, T. F. Havel, R. Laflamme, D. G. Cory, Phys. Rev. Lett. 82, 5381 (1999).
- G. Roumpos, C. P. Master, Y. Yamamoto, Phys. Rev. B 75, 094415 (2007).
- C. H. Tseng et al., Phys. Rev. A 62, 032309 (2000).
- K. R. Brown, Phys. Rev. A 76, 022327 (2007).
- J. Piilo, S. Maniscalco, Phys. Rev. A 74, 032303 (2006).
- F.N. acknowledges partial support from the National Security Agency (NSA), Laboratory for Physical Sciences (LPS), Army Research Office (ARO), and NSF grant no. EIA-0130383. The authors declare no competing financial interests.
- M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger, T. W. Hänsch, I. Bloch, Nature 415, 39 (2002).
- A. Retzker, R. C. Thompson, D. M. Segal, M. B. Plenio, Phys. Rev. Lett. 101, 260504 (2008).
- A. Friedenauer, H. Schmitz, J. T. Glückert, D. Porras, T. Schätz, Nature Physics 4, 757 (2008).
- G. Roumpos, C. P. Master, Y. Yamamoto, Phys. Rev. B 75, 094415 (2007).
- A. D. Greentree, C. Tahan, J. H. Cole, L. C. L. Hollenberg, Nature Physics 2, 856 (2006).
- A. van Oudenaarden, J. E. Mooij, Phys. Rev. Lett. 76, 4947 (1996).
- D. Jaksch, C. Bruder, J. I. Cirac, C. W. Gardiner, P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 81, 3108 (1998).
- X.-L. Deng, D. Porras, J. I. Cirac, Phys. Rev. A 77, 033403 (2008).
- T. Byrnes, P. Recher, N. Y. Kim, S. Utsunomiya, Y. Yamamoto, Phys. Rev. Lett. 99, 016405 (2007).
- T. Byrnes, N. Y. Kim, K. Kusudo, Y. Yamamoto, Phys. Rev. B 78, 075320 (2008).
- M. J. Hartmann, F. G. S. L. Brandao, M. B. Plenio, Nature Physics 2, 849 (2006).
- E. Jané, G. Vidal, W. Dür, P. Zoller, J. Cirac, Quant. Inf. Comput. 3, 15 (2003).
- J. J. Garcia-Ripoll, M. A. Martin-Delgado, J. I. Cirac, Phys. Rev. Lett. 93, 250405 (2004).
- D. Porras, J. I. Cirac, Phys. Rev. Lett. 92, 207901 (2004).
- X.-L. Deng, D. Porras, J. I. Cirac, Phys. Rev. A 72, 063407 (2005).
- J. P. Barjaktarevi, G. J. Milburn, R. McKenzie, Phys. Rev. A 71, 012335 (2005).
- J. Cho, D. G. Angelakis, S. Bose, Phys. Rev. A 78, 062338 (2008).
- A. Kay, D. Angelakis, EPL 84, 20001 (2008).
- M. Neeley, et al., Science 325, 722 (2009).
- F. Nori, Science 325, 689 (2009).
- P. M. Platzman, M. I. Dykman, Science 284, 1967 (1999).
- S. Mostame, R. Schützhold, Phys. Rev. Lett. 101, 220501 (2008).
- D. A. Lidar, O. Biham, Phys. Rev. E 56, 3661 (1997).
- D. I. Tsomokos, S. Ashhab, F. Nori, New J. Phys. 10, 113020 (2008).
- A. Sanpera, A. Kantian, L. Sanchez-Palencia, J. Zakrzewski, M. Lewenstein, Phys. Rev. Lett. 93, 040401 (2004).
- F. Yamaguchi, Y. Yamamoto, Superlattices and Microstructures 32, 343 (2002).
- E. Manousakis, J. Low Temp. Phys. 126, 1501 (2002).
- L.-A. Wu, M. Byrd, D. Lidar, Phys. Rev. Lett. 89, 057904 (2002).
- K. R. Brown, R. J. Clark, I. L. Chuang, Phys. Rev. Lett. 97, 050504 (2006).
- X. Yang, A. M. Wang, F. Xu, J. Du, Chem. Phys. Lett. 422, 20 (2006).
- M. W. Zwierlein, J. R. Abo-Shaeer, A. Schirotzek, C. H. Schunck, W. Ketterle, Nature 435, 1047 (2005).
- A. L. Rakhmanov, A. M. Zagoskin, S. Savel'ev, F. Nori, Phys. Rev. B 77, 144507 (2008).
- T. Schulte, et al., Phys. Rev. Lett. 95, 170411 (2005).
- V. Ahufinger, L. Sanchez-Palencia, A. Kantian, A. Sanpera, M. Lewenstein, Phys. Rev. A 72, 063616 (2005).
- L. Fallani, J. E. Lye, V. Guarrera, C. Fort, M. Inguscio, Phys. Rev. Lett. 98, 130404 (2007).
- J. Billy, et al., Nature 453, 891 (2008).
- J. J. Garcia-Ripoll, E. Solano, M. A. Martin-Delgado, Phys. Rev. B 77, 024522 (2008).
- C. Negrevergne, R. Somma, G. Ortiz, E. Knill, R. Laflamme, Phys. Rev. A 71, 032344 (2005).
- D. Porras, J. I. Cirac, Phys. Rev. Lett. 96, 250501 (2006).
- B. Paredes, et al., Nature 429, 277 (2004).
- M. Aguado, G. K. Brennen, F. Verstraete, J. I. Cirac, Phys. Rev. Lett. 101, 260501 (2008).
- C.-Y. Lu, W.-B. Gao, O. Gühne, X.-Q. Zhou, Z.-B. C. J.-W. Pan, Phys. Rev. Lett. 102, 030502 (2009).
- J. Q. You, X.-F. Shi, F. Nori, arXiv:0809.0051v1 (2008).
- A. Kitaev, Ann. Phys. 303, 2 (2003).
- Y.-J. Han, R. Raussendorf, L.-M. Duan, Phys. Rev. Lett. 98, 150404 (2007).
- T. Byrnes, Y. Yamamoto, Phys. Rev. A 73, 022328 (2006).
- H. P. Büchler, M. Hermele, S. D. Huber, M. P. A. Fisher, P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 95, 040402 (2005).
- L. Lamata, J. León, T. Schätz, E. Solano, Phys. Rev. Lett. 98, 253005 (2007).
- A. Bermudez, M. A. Martin-Delgado, E. Solano, Phys. Rev. A 76, 041801 (2007).
- B. Horstmann, B. Reznik, S. Fagnocchi, J. I. Cirac, arXiv:0904.4801v1 (2009).
- P. D. Nation, M. P. Blencowe, A. J. Rimberg, E. Buks, arXiv:0904.2589v1 (2009).
- T. G. Philbin, et al., Science 319, 1367 (2008).
- P. Alsing, J. Dowling, G. Milburn, Phys. Rev. Lett. 94, 220401 (2005).
- U. R. Fischer, R. Schutzhold, Phys. Rev. A 70, 063615 (2004).
- J. You, Y. Liu, C. Sun, F. Nori, Phys. Rev. B 75, 104516 (2007).
- L. Zhou, H. Dong, Y.-X. Liu, C. P. Sun, F. Nori, Phys. Rev. A 78, 063827 (2008).
- S. O. Valenzuela, et al., Science 314, 1589 (2006).
- M. Grajcar, et al., Nature Physics 4, 612 (2008).
- F. Nori, Nature Physics 4, 589 (2008).
- C. H. Tseng, et al., Phys. Rev. A 62, 032309 (2000).
- J. Piilo, S. Maniscalco, Phys. Rev. A 74, 032303 (2006).
- D. Lidar, H. Wang, Phys. Rev. E 59, 2429 (1999).
- A. Aspuru-Guzik, A. D. Dutoi, P. J. Love, M. Head-Gordon, Science 309, 1704 (2005).
- I. Kassaland, S. P. Jordan, P. J. Love, M. Mohseni, A. Aspuru-Guzik, PNAS 105, 18681 (2008).
- A. Smirnov, S. Savel'ev, L. Mourokh, F. Nori, Eur. Phys. Lett. 80, 67008 (2007).
- B. P. Lanyon, et al., arXiv:0905.0887v3 (2009).
- Y. S. Weinstein, S. Lloyd, J. V. Emerson, D. G. Cory, Phys. Rev. Lett. 89, 157902 (2002).
- J. C. Howell, J. A. Yeaze, Phys. Rev. A 61, 012304 (2000).
- B. M. Boghosian, W. Taylor, Phys. Rev. E 57, 54 (1998).
- G. Benenti, G. Strini, Am. J. Phys. 76, 657 (2008).
- H. Quan, Y. Liu, C. Sun, F. Nori, Phys. Rev. E 76, 031105 (2006).
- D. Wineland, et al., Phys. Scripta T76, 147 (1998).
- D. Leibfried, et al., Phys. Rev. Lett. 89, 247901 (2002).