Bei einer Simulation ist man daran interessiert, ein bestimmtes System besser zu verstehen. Das „System“ kann dabei ziemlich alles sein: ein Sonnensystem oder ein Kraftwerk oder auch ein einzelnes Molekül. Simulationen sind nützlich, weil man darin Umgebungsbedingungen und andere Eigenschaften, zum Beispiel Temperatur oder die Stärke eines Materials, beliebig ändern und die Konsequenzen studieren kann.
Simulationen kann man auf einem Computer machen, in dem man Gleichungen löst und die Ergebnisse visuell darstellt. Man kann aber auch physikalische Simulationen machen, zum Beispiel in Windkanälen, oder in Wasserbecken, in denen Wellen studiert werden. Physikalische Simulationen sind nützlich für Systeme, die sich schlecht auf einem Computer simulieren lassen, etwa weil sie sich chaotisch verhalten.
So kann man Wasser auch benutzen, um Schwarze Löcher zu simulieren. Dabei macht man sich zunutze, dass ein Wasserstrudel Wasserwellen einfangen und verschlucken kann, so ähnlich wie ein Schwarzes Loch Lichtwellen einfangen und verschlucken kann. Eine solche Simulation wurde von Forschern an der University of Nottingham im Jahr 2019 gemacht. Die Ähnlichkeit ist allerdings etwas weit hergeholt, schon weil der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs die Oberfläche einer Kugel ist und nicht, wie beim Wasserstrudel, ein Kreis.
Eine Quantensimulation ist nun eine Simulation bei der Quanteneffekte in der Simulation wichtig werden. Dabei geht es um verschränkte Zustände, die über lange Abstände korreliert sein können, aber auch um typische Quanteneigenschaften, wie die Fähigkeit von Quantenteilchen in mehreren Plätzen gleichzeitig zu sein, oder diskrete („quantisierte“) Energiewerte anzunehmen.
Man kann ein System mit Quanteneigenschaften zwar auf einem konventionellen Computer simulieren, doch die Gleichungen können manchmal auch auf Superclustern nicht mehr gelöst werden. Das ist insbesondere der Fall für Materialeigenschaften oder Wechselwirkungen zwischen vielen stark gekoppelten Quantenteilchen. Man könnte diese Gleichungen im Prinzip auf einem Quantencomputer lösen, doch die derzeit existierenden Quantencomputer sind dazu nicht groß genug. In dem Fall kann man aber ein anderes Quantensystem nehmen, und dessen Eigenschaften so anlegen, dass sie dem System, an dem man interessiert ist, ähnlich sind.
Ein konkretes Beispiel für eine Quantensimulation sind Quasiteilchen. Ein Quasiteilchen ist ein kollektives Verhalten in einem Medium, ganz ähnlich wie Wasserwellen, oder auch wie die La-Ola-Welle im Fußballstadion. Ein Quasiteilchen ist also nicht elementar, denn – genau wie eine Welle – kommt es durch die Wechselwirkung von vielen anderen, kleineren, Teilchen zustande.
