Método de dinâmicas efetivas aplicado na análise da interação qubit-qubit em dispositivos supercondutores: a interação qubit-qubit no contexto da computação quântica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Oliveira, Estêvão Vilas Boas de
Orientador(a): Villas-Bôas, Celso Jorge lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Física - PPGF
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15735
Resumo: In this dissertation, we approach some aspects of quantum computing. At first, we detail the Deutsch-Jozsa algorithm and show how to implement it in real IBM quantum computers, available free of charge via remote access on the IBM-Q Experience platform. From the implementation of this algorithm, it was possible to prove its advantage over its classical counterparts, i. e., that it is, in fact, possible to solve problems more efficiently (with fewer steps) when exploring quantum principles, such as superposition states and entangled states, in the computational processes. In the course of the work, we came across some issues that motivated us to develop the second part of our project, particularly the problem involving logical operations with many qubits (known as multi-qubit gates). Such gates can be decomposed into simpler one and two-qubit gates, however introducing much greater complexity to the algorithms. In this sense, we look for efficient ways to implement three-qubit logic gates in superconducting qubit systems. For this purpose, we use a technique to obtain effective Hamiltonians to derive the desired interactions, simplifying the analysis of the system. This approximate method was then confronted with numerical calculations using Hamiltonians without approximation, making it possible to verify the approximations' validity and prove the results obtained analytically. Then, we compare the times needed to implement simple operations, such as the transfer of an excitation (1 qubit of quantum information) between two qubits, both via the so-called "direct" interaction, in which an auxiliary qubit is a mediator of the effective interaction (without it being effectively populated) and via the so-called "indirect" interaction, since the exchange between the qubits requires the transfer of information to the auxiliary qubit during the process. Although the indirect case requires more steps (logic gates), it is more advantageous in terms of processing time. Finally, we analyze the fidelity of the logical operations taking into account the presence of errors (systematic and random) in the auxiliary qubit that mediates the interaction. In the presence of such errors, the exchange of quantum information via the direct process showed better fidelity. In this regime, because of the fewer intermediate steps using a qubit that has faults, it is not necessary to demand such precise control of the system parameters.
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From the implementation of this algorithm, it was possible to prove its advantage over its classical counterparts, i. e., that it is, in fact, possible to solve problems more efficiently (with fewer steps) when exploring quantum principles, such as superposition states and entangled states, in the computational processes. In the course of the work, we came across some issues that motivated us to develop the second part of our project, particularly the problem involving logical operations with many qubits (known as multi-qubit gates). Such gates can be decomposed into simpler one and two-qubit gates, however introducing much greater complexity to the algorithms. In this sense, we look for efficient ways to implement three-qubit logic gates in superconducting qubit systems. For this purpose, we use a technique to obtain effective Hamiltonians to derive the desired interactions, simplifying the analysis of the system. This approximate method was then confronted with numerical calculations using Hamiltonians without approximation, making it possible to verify the approximations' validity and prove the results obtained analytically. Then, we compare the times needed to implement simple operations, such as the transfer of an excitation (1 qubit of quantum information) between two qubits, both via the so-called "direct" interaction, in which an auxiliary qubit is a mediator of the effective interaction (without it being effectively populated) and via the so-called "indirect" interaction, since the exchange between the qubits requires the transfer of information to the auxiliary qubit during the process. Although the indirect case requires more steps (logic gates), it is more advantageous in terms of processing time. Finally, we analyze the fidelity of the logical operations taking into account the presence of errors (systematic and random) in the auxiliary qubit that mediates the interaction. In the presence of such errors, the exchange of quantum information via the direct process showed better fidelity. In this regime, because of the fewer intermediate steps using a qubit that has faults, it is not necessary to demand such precise control of the system parameters.Nesta dissertação abordamos alguns aspectos da computação quântica. Em um primeiro momento, detalhamos o algoritmo de Deutsch-Jozsa e mostramos como implementá-lo em computadores quânticos reais da IBM, disponibilizados gratuitamente via acesso remoto na plataforma IBM-Q Experience. A partir da implementação desse algoritmo foi possível comprovar sua vantagem frente às suas contrapartidas clássicas, isto é, que de fato é possível resolver problemas de forma mais eficiente (com menos passos) quando se exploram os princípios quânticos, como estados de superposição e estados emaranhados, nos processos computacionais. No decorrer dos trabalhos, deparamo-nos com algumas questões que nos motivaram a desenvolver a segunda parte do nosso projeto, em particular o problema que envolve operações lógicas com muitos qubits (conhecidas como portas multi-qubits). Tais portas podem ser decompostas em portas mais simples de um e de dois qubits, introduzindo, no entanto, uma complexidade muito maior aos algoritmos. Nesse sentido, buscamos meios eficientes de se implementar portas lógicas de três qubits em sistemas de qubits supercondutores. Para isso, utilizamos de uma técnica de obtenção de hamiltonianos efetivos para derivação das interações desejadas, simplificando a análise do sistema. Tal método aproximativo foi então confrontado com cálculos numéricos utilizando os hamiltonianos sem aproximação, sendo possível verificar a validade das aproximações e comprovar os resultados obtidos analiticamente. Em seguida realizamos a comparação entre os tempos necessários para a implementação de operações simples, como a transferência de uma excitação (1 qubit de informação quântica) entre dois qubits, ora via interação que chamamos de "direta", em que um qubit auxiliar atua como agente passivo, mediando uma interação efetiva entre os qubits de trabalho (sem que este seja efetivamente populado), ora via interação que chamamos de "indireta", uma vez que a troca entre os qubits de trabalho exige a transferência de informação para o qubit auxiliar durante o processo. Constatamos que, embora o caso indireto exija mais etapas (portas lógicas), ele é mais vantajoso em questão de tempo de processamento. Por fim, analisamos a fidelidade das operações lógicas levando-se em conta a presença de erros (sistemáticos e aleatórios) no qubit mediador da interação. Na presença de tais erros, a troca da informação quântica via processo direto apresentou melhor fidelidade. Isso se deu pois, nesse regime, com menos passos intermediários e utilizando-se um qubit que apresenta falhas, não é necessário que se exija um controle tão preciso nos parâmetros do sistema.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)131669/2020-6porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGFUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessInteração qubit-qubitDinâmicas efetivasComputação quânticaDispositivos supercondutoresQubit-qubit interactionEffective dynamicsQuantum computingSuperconducting devicesCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAMétodo de dinâmicas efetivas aplicado na análise da interação qubit-qubit em dispositivos supercondutores: a interação qubit-qubit no contexto da computação quânticaEffective dynamics method applied to the analysis of qubit-qubit interaction in superconducting devices: the qubit-qubit interaction within the context of quantum computinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600a64de365-965a-42a8-b54f-9eb0da8fbfa6reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALMSc_dissertation_EVBO.pdfMSc_dissertation_EVBO.pdfDissertação de mestradoapplication/pdf5145875https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1ce8d981-c728-461a-abb7-73e55431a8eb/downloade4f85e2138eac9acb528676b7fb4a226MD51trueAnonymousREADcarta_versao_final.pdfcarta_versao_final.pdfCarta de versão finalapplication/pdf520051https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/20e5757d-ae9d-4bf3-b9c0-158e2b41427d/download9ca4d37cb23d790330f15862d05bce33MD52falseCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1cd040e5-fba9-415a-a4a4-d1d88c29c074/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53falseAnonymousREADTEXTMSc_dissertation_EVBO.pdf.txtMSc_dissertation_EVBO.pdf.txtExtracted texttext/plain216289https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/4756ae73-4ebe-4eaa-9eec-0db1f5f77cd4/download0651832e63bb4a7f265243ebed563347MD54falseAnonymousREADcarta_versao_final.pdf.txtcarta_versao_final.pdf.txtExtracted texttext/plain1409https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/37bbf0f1-627d-4af3-90ab-5aa664722420/download58e017906080739c332d722052e3d232MD56falseTHUMBNAILMSc_dissertation_EVBO.pdf.jpgMSc_dissertation_EVBO.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5838https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f9bb49f7-f02b-4337-a32b-8c9bb9f739a2/downloadb9e6d23922f75a06f471d5278f6ff699MD55falseAnonymousREADcarta_versao_final.pdf.jpgcarta_versao_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg11991https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8b8aa5a1-8904-4b84-ae7e-fc6526688d4a/downloadd80f186f81c69c015f7b3ebe121d0900MD57false20.500.14289/157352025-02-05 20:59:53.202http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/15735https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-05T23:59:53Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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