Simulação de canais quânticos e medidas gerais via algoritmos de preparação de estados
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Física UFSM Programa de Pós-Graduação em Física Centro de Ciências Naturais e Exatas |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/33782 |
Resumo: | This work presents a new protocol for simulating quantum systems based on quantum state preparation, with various applications such as the simulation of quantum channels and the implementation of general measurements. In general, these applications are modeled by quantum operations and involve completely positive trace-preserving (CPTP) maps. These maps correspond to sets of operators known as Kraus operators, when applied to the simulation of quantum channels, and general measurement operators, when applied to the implementation of non-selective measurements. In the literature, especially when the experimental platform is circuit-based quantum computing, these operators are employed to adjust the parameters of unitary matrices, which are the ones that actually operate in the experiment. To do this, it is necessary to solve a system of nonlinear equations numerically. The new protocol avoids these complications by applying the operators directly over the analytical description of the quantum systems to be simulated. Through the use of isometries and purifications, it models the quantum operations of interest to the experimentalist, whether they are quantum channels or general measurements, enabling the use of software libraries for symbolic algebra to perform exact and automated manipulation of the state vector, with complex amplitudes, to be prepared for simulation. The algebraic manipulation of the state vector provides greater flexibility in experimental planning, as it can be used on any quantum simulation platform. More specifically, it is not restricted to circuit-based quantum computing. Finally, the use of the new protocol is illustrated in the simulation of one-qubit channels, qudits, Lorentz transformations, mixed-state simulations, POVM implementation, and the certification of quantum contextuality via POVMs. |
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Simulação de canais quânticos e medidas gerais via algoritmos de preparação de estadosSimulation of quantum channels and general measurements via state preparation algorithmsCanais quânticosMedidas geraisPreparação de estados quânticosComputação quântica baseada em circuitos quânticosSimulação quânticaContextualidadeNISQPOVMQuantum channelsGeneral measurementsQuantum state preparationCircuit based quantum computationQuantum simulationContextualityCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAThis work presents a new protocol for simulating quantum systems based on quantum state preparation, with various applications such as the simulation of quantum channels and the implementation of general measurements. In general, these applications are modeled by quantum operations and involve completely positive trace-preserving (CPTP) maps. These maps correspond to sets of operators known as Kraus operators, when applied to the simulation of quantum channels, and general measurement operators, when applied to the implementation of non-selective measurements. In the literature, especially when the experimental platform is circuit-based quantum computing, these operators are employed to adjust the parameters of unitary matrices, which are the ones that actually operate in the experiment. To do this, it is necessary to solve a system of nonlinear equations numerically. The new protocol avoids these complications by applying the operators directly over the analytical description of the quantum systems to be simulated. Through the use of isometries and purifications, it models the quantum operations of interest to the experimentalist, whether they are quantum channels or general measurements, enabling the use of software libraries for symbolic algebra to perform exact and automated manipulation of the state vector, with complex amplitudes, to be prepared for simulation. The algebraic manipulation of the state vector provides greater flexibility in experimental planning, as it can be used on any quantum simulation platform. More specifically, it is not restricted to circuit-based quantum computing. Finally, the use of the new protocol is illustrated in the simulation of one-qubit channels, qudits, Lorentz transformations, mixed-state simulations, POVM implementation, and the certification of quantum contextuality via POVMs.Este trabalho apresenta um novo protocolo para simulação de sistemas quânticos baseado na preparação de estados quânticos, e possui aplicações diversas como a simulação de canais quânticos e a implementação de medidas gerais. Em geral, essas aplicações são modeladas por operações quânticas e envolvem a atuação de mapas completamente positivos e que preservam traço (CPTP). Esses mapas correspondem aos conjuntos de operadores denominados operadores de Kraus, quando aplicados à simulação de canais quânticos, e operadores de medidas gerais, quando aplicados à implementação de medidas quânticas gerais. Na literatura, principalmente quando a plataforma experimental é a computação quântica baseada em circuitos quânticos, os referidos operadores são utilizados para ajustar parâmetros de matrizes unitárias que são as que de fato atuarão na simulação quântica. Para tanto, deve-se resolver um sistema de equações não lineares numericamente. O novo protocolo evita essas complicações ao atuar os operadores de Kraus diretamente sobre a descrição analítica dos sistemas quânticos que se deseja simular. Através do uso de isometrias e purificações, modela as operações quânticas de interesse do experimentalista, sejam elas canais quânticos ou medidas gerais, possibilitando o uso de bibliotecas de software para álgebra simbólica para manipulação exata e automatizada do vetor de estados, com amplitudes complexas, a ser preparado para simulação. A manipulação algébrica do vetor de estados flexibiliza o processo de planejamento experimental, pois permite que o protocolo seja utilizado em qualquer plataforma de simulação quântica. Ou seja, não está restrito à computação quântica baseada em circuitos quânticos. Finalmente, o uso do novo protocolo é ilustrado na simulação de canais de um qubit, qudits, transformações de Lorentz, simulação com estados mistos, implementação de medidas valoradas por operadores positivos (POVMs) e na certificação de contextualidade quântica por POVMs.Universidade Federal de Santa MariaBrasilFísicaUFSMPrograma de Pós-Graduação em FísicaCentro de Ciências Naturais e ExatasMaziero, Jonashttp://lattes.cnpq.br/1270437648097538Santos, Alan Costa dosCosta, Ana Cristina SprotteAmorim, Edgard Pacheco MoreiraKöhler, Mateus HenriqueZanetti, Marcelo Serrano2025-01-09T15:41:58Z2025-01-09T15:41:58Z2024-10-07info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/33782ark:/26339/0013000019d0mporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2025-01-09T15:41:59Zoai:repositorio.ufsm.br:1/33782Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2025-01-09T15:41:59Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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This work presents a new protocol for simulating quantum systems based on quantum state preparation, with various applications such as the simulation of quantum channels and the implementation of general measurements. In general, these applications are modeled by quantum operations and involve completely positive trace-preserving (CPTP) maps. These maps correspond to sets of operators known as Kraus operators, when applied to the simulation of quantum channels, and general measurement operators, when applied to the implementation of non-selective measurements. In the literature, especially when the experimental platform is circuit-based quantum computing, these operators are employed to adjust the parameters of unitary matrices, which are the ones that actually operate in the experiment. To do this, it is necessary to solve a system of nonlinear equations numerically. The new protocol avoids these complications by applying the operators directly over the analytical description of the quantum systems to be simulated. Through the use of isometries and purifications, it models the quantum operations of interest to the experimentalist, whether they are quantum channels or general measurements, enabling the use of software libraries for symbolic algebra to perform exact and automated manipulation of the state vector, with complex amplitudes, to be prepared for simulation. The algebraic manipulation of the state vector provides greater flexibility in experimental planning, as it can be used on any quantum simulation platform. More specifically, it is not restricted to circuit-based quantum computing. Finally, the use of the new protocol is illustrated in the simulation of one-qubit channels, qudits, Lorentz transformations, mixed-state simulations, POVM implementation, and the certification of quantum contextuality via POVMs. |
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