Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/64002
Tipo: Dissertação
Título: Reconstrução pticográfica de estados de múltiplos qubits em um computador quântico
Autor(es): Warley Marcos Santos Alves
Primeiro Orientador: Leonardo Teixeira Neves
Primeiro membro da banca : Sebastião José Nascimento de Pádua
Segundo membro da banca: Alexandre Ferreira Ramos
Resumo: O desenvolvimento de tecnologias quânticas de segunda geração (sensores quânticos, computadores quânticos e internet quântica) vem sendo realizado por grandes empresas e tem recebido investimentos estatais da ordem de bilhões de dólares em vários países. Dentre essas tecnologias, o computador quântico ganhou um destaque maior na mídia por sua promessa de resolver problemas de forma muito mais rápida e eficiente que computadores clássicos, o que poderia produzir inúmeros avanços científicos com impactos na sociedade e na indústria. Nos últimos anos, empresas como IBM, Google, Microsoft, entre outras, apresentaram grandes progressos na construção dos primeiros protótipos de hardware e software quânticos. No entanto, esses protótipos são dispositivos que operam com poucos qubits e são bastante afetados por ruído, o que ainda os impedem de realizar computação realmente útil. Em particular, a IBM tem disponibilizado o acesso remoto a algumas de suas máquinas para o público geral, além de acesso especial a pesquisadores selecionados no seu programa de pesquisadores. Usando esse recurso, neste trabalho nós estudamos um método para reconstrução de estados puros de um sistema de múltiplos qubits em um computador quântico. No contexto da computação quântica, esta é uma ferramenta muito útil, por exemplo, para determinar estados de entrada ou de saída de um dado algoritmo, ou para a caracterização das operações lógicas que constituem o algoritmo. O método que estudamos é conhecido como pticografia quântica, onde um estado puro é submetido a um conjunto de projeções com algum grau de interseção entre si, seguidas de uma medição projetiva em uma única base ortonormal. Os resultados gerados no processo servem como entrada para um algoritmo iterativo que estima o estado. O nosso estudo se dividiu entre simulações e experimentos. As simulações foram realizadas em cenários ideais sem ruído e cenários mais realísticos com ruído, onde o método foi demonstrado com êxito para uma variedade de estados de até 6 qubits. Nos experimentos, obtivemos bons resultados para a reconstrução de estados de até 4 qubits; os resultados para um número maior foram fortemente afetados pelo ruído nos dispositivos. As vantagens e limitações do método pticográfico são discutidas em comparação com outros métodos de reconstrução de estados. Além de demonstrar a pticografia quântica em um computador quântico nós também obtivemos alguns avanços para o método. O primeiro foi uma modificação no algoritmo iterativo de reconstrução, que melhora a sua convergência e, consequentemente, a estimativa do estado. O segundo foi a utilização de bases de medição que são menos afetadas por ruído em computador quântico. Este segundo avanço ainda é parte de um estudo preliminar mas aponta caminhos promissores para investigações futuras.
Abstract: The development of second-generation quantum technologies (quantum sensors, quantum computers and quantum internet) has been carried out by large companies and has received state investments in the order of billions of dollars in several countries. Among these technologies, the quantum computer gained greater prominence in the media due to its promise to solve problems much faster and more efficiently than classical computers, which could produce numerous scientific advances with impacts on society and industry. In recent years, companies such as IBM, Google, Microsoft, among others, have made great progress in building the first prototypes of quantum hardware and software. However, these prototypes are devices that operate with few qubits and are heavily affected by noise, which still prevents them from performing truly useful computation. In particular, IBM has provided remote access to some of its machines available to the general public, as well as special access to selected researchers in its research program. Using this resource, in this work we study a method for reconstructing pure states of a multi-qubit system in a quantum computer. In the context of quantum computing, this is a very useful tool, for example, to determine input or output states of a given algorithm, or to characterize the logical operations that constitute the algorithm. The method we study is known as quantum ptychography, where a pure state is subjected to a set of projections with some degree of intersection between them, followed by a projective measurement on a single orthonormal basis. The results generated in the process serve as input to an iterative algorithm that estimates the state. Our study was divided between simulations and experiments. The simulations were carried out in ideal scenarios without noise and more realistic scenarios with noise, where the method was successfully demonstrated for a variety of states of up to 6 qubits. In experiments, we obtained good results for reconstructing states of up to 4 qubits; the results for a larger number were strongly affected by noise in the devices. The advantages and limitations of the ptychographic method are discussed in comparison with other state reconstruction methods. In addition to demonstrating quantum ptychography on a quantum computer, we also achieved some advances in the method. The first was a modification to the iterative reconstruction algorithm, which improves its convergence and, consequently, the state estimation. The second was the use of measurement bases that are less affected by noise in a quantum computer. This second advance is still part of a preliminary study but points to promising avenues for future investigations.
Assunto: Tomografia quântica
Computação quântica
Qubits
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Departamento: ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Curso: Programa de Pós-Graduação em Física
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/64002
Data do documento: 1-Dez-2023
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