Análise assintótica de passeios quânticos para algoritmos de busca com múltiplos marcados

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Lugão, Pedro Henrique Gasparetto lattes
Orientador(a): Portugal, Renato
Banca de defesa: Portugal, Renato, Giraldi, Gilson Antônio, Oliveira, Marcos Cesar de, Coutinho, Gabriel de Morais
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Laboratório Nacional de Computação Científica
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Departamento: Coordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)
País: Brasil
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://tede.lncc.br/handle/tede/385
Resumo: Given an arbitrary graph, it is possible to define an operator that represents the evolution of states respecting the graph’s locality. Quantum search, represented by a slight perturbation in certain nodes in this evolution operator to mark them, is based on evolving the quantum state for a certain number of steps until the probability of finding one of the marked nodes is maximized. Finding the number of steps and the final success probability in graphs of interest with an arbitrary number of marked nodes is the main objective of this work. To achieve this, we have developed an analytical method that obtains an asymptotic expression in the number of nodes for the desired quantities, based on the analysis of the two leading eigenvectors of the evolution matrix. The method has been developed for both discrete and continuous walk cases, with examples on the two-dimensional lattice and Johnson graphs, each having two marked elements. For an even more general case, we provide an analysis of continuous walks on t-designs, a mathematical abstraction that generates various bipartite graphs. In this latter case, we derive analytical expressions depending not only on the graph’s parameters but also on the number of marked nodes. The studied examples cover cases where a precise theory regarding the success probability and optimal time of quantum walks is lacking, showcasing the potential of the developed method to address more general problems.
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spelling Portugal, RenatoPortugal, RenatoGiraldi, Gilson AntônioOliveira, Marcos Cesar deCoutinho, Gabriel de Moraishttp://lattes.cnpq.br/7369911028082703Lugão, Pedro Henrique Gasparetto2024-02-06T14:11:49Z2023-12-13LUGÃO, P. H. G. Análise assintótica de passeios quânticos para algoritmos de busca com múltiplos marcados. 2023. 61 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional) - Laboratório Nacional de Computação Científica, Petrópolis, 2023.https://tede.lncc.br/handle/tede/385Given an arbitrary graph, it is possible to define an operator that represents the evolution of states respecting the graph’s locality. Quantum search, represented by a slight perturbation in certain nodes in this evolution operator to mark them, is based on evolving the quantum state for a certain number of steps until the probability of finding one of the marked nodes is maximized. Finding the number of steps and the final success probability in graphs of interest with an arbitrary number of marked nodes is the main objective of this work. To achieve this, we have developed an analytical method that obtains an asymptotic expression in the number of nodes for the desired quantities, based on the analysis of the two leading eigenvectors of the evolution matrix. The method has been developed for both discrete and continuous walk cases, with examples on the two-dimensional lattice and Johnson graphs, each having two marked elements. For an even more general case, we provide an analysis of continuous walks on t-designs, a mathematical abstraction that generates various bipartite graphs. In this latter case, we derive analytical expressions depending not only on the graph’s parameters but also on the number of marked nodes. The studied examples cover cases where a precise theory regarding the success probability and optimal time of quantum walks is lacking, showcasing the potential of the developed method to address more general problems.Dado um grafo qualquer é possível definir um operador que representa a evolução de estados respeitando a localidade do grafo. A busca quântica, representada por uma pequena perturbação em alguns nós nesse operador de evolução para marcá-los, se baseia em evoluir o estado quântico por um determinado número de passos até que a probabilidade de encontrar um dos nós marcados seja máxima. Encontrar o número de passos e a probabilidade de sucesso final em grafos de interesse com um número qualquer de marcados é o principal objetivo deste trabalho. Para tal, desenvolvemos um método analítico que obtém uma expressão assintótica no número de nós para as quantidades desejadas a partir da análise de dois autovetores principais da matriz de evolução. O método foi desenvolvido para o caso de passeios discretos e contínuos, com exemplos na malha bidimensional e em grafos de Johnson, respectivamente e ambos com dois elementos marcados. Para um exemplo ainda mais geral é apresentada a análise de passeios contínuos em t-designs, uma abstração matemática que nos gera diferentes grafos bipartidos. Neste último caso obtemos expressões analíticas dependendo não apenas dos parâmetros do grafo, como também do número de marcados. Os exemplos estudados são casos onde não há uma teoria tão precisa a respeito da probabilidade de sucesso e tempo ótimo de passeios quânticos e também mostram o potencial do método desenvolvido para lidar com problemas mais gerais.Submitted by Patrícia Vieira Silva (library@lncc.br) on 2024-02-06T14:11:06Z No. of bitstreams: 1 Pedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf: 2272725 bytes, checksum: 9afe91cb938433ce05df905055963a27 (MD5)Approved for entry into archive by Patrícia Vieira Silva (library@lncc.br) on 2024-02-06T14:11:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Pedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf: 2272725 bytes, checksum: 9afe91cb938433ce05df905055963a27 (MD5)Made available in DSpace on 2024-02-06T14:11:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf: 2272725 bytes, checksum: 9afe91cb938433ce05df905055963a27 (MD5) Previous issue date: 2023-12-13Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiroapplication/pdfhttp://tede-server.lncc.br:8080/retrieve/1716/Pedro%20Henrique%20Gasparetto%20Lug%c3%a3o.pdf.jpgporLaboratório Nacional de Computação CientíficaPrograma de Pós-Graduação em Modelagem ComputacionalLNCCBrasilCoordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessComputação quânticaPasseio aleatório (Matemática)Teoria dos grafosAnálise assintóticaCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO::COMPUTABILIDADE E MODELOS DE COMPUTACAOAnálise assintótica de passeios quânticos para algoritmos de busca com múltiplos marcadosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCCinstname:Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)instacron:LNCCTHUMBNAILPedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf.jpgPedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf.jpgimage/jpeg3486http://tede-server.lncc.br:8080/tede/bitstream/tede/385/4/Pedro+Henrique+Gasparetto+Lug%C3%A3o.pdf.jpg2e7b449ebefa6a2684a9274d4469d657MD54TEXTPedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf.txtPedro Henrique Gasparetto Lugão.pdf.txttext/plain111259http://tede-server.lncc.br:8080/tede/bitstream/tede/385/3/Pedro+Henrique+Gasparetto+Lug%C3%A3o.pdf.txt5db19708c3ebca101e3a501b3fe1926dMD53ORIGINALPedro Henrique Gasparetto Lugão.pdfPedro Henrique Gasparetto Lugão.pdfapplication/pdf2272725http://tede-server.lncc.br:8080/tede/bitstream/tede/385/2/Pedro+Henrique+Gasparetto+Lug%C3%A3o.pdf9afe91cb938433ce05df905055963a27MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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