Identificação de números primos com computadores quânticos
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| 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/1/33301 |
Resumo: | The identification of prime numbers is an ancient area of study with applications in cryptography and fundamental mathematical problems, such as the Riemann Hypothesis (RH). Classical algorithms, like the Sieve of Eratosthenes and the AKS Primality Test, are efficient examples for this purpose. However, quantum computing (QC), with its superior theoretical capacity, has inspired the development of quantum algorithms, many of which are probabilistic or rely on the RH. In this dissertation, we propose a deterministic and efficient quantum algorithm that generalizes a recent method from quantum optics to identify prime numbers through entanglement dynamics. We adapted this method for QC, removing several constraints from the original work, and showed that discrete bipartite quantum systems prepared in certain initial states can be used to identify prime numbers through the Fourier modes of the reduced purity of one of the subsystems. The proposed algorithm is viable for implementation in future fault-tolerant QC systems. The initial steps involve encoding the system in qubits and preparing a maximally superposed state. In the state evolution step, we use Walsh matrices to efficiently prepare diagonal unitary gates. The reduced purity is measured using a modified controlled-SWAP test, and the Fourier modes are obtained via the numerical calculation of a one-dimensional integral. Subsequently, we present the simulations performed in Qiskit, which demonstrate the validity of the algorithm in all its stages. Finally, we discuss the computational cost, quantifying the number of elementary gates as a function of the number of qubits and speculating the total computational complexity of the algorithm. |
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Identificação de números primos com computadores quânticosIdentification of prime numbers with quantum computersIdentificação de números primosComputação quânticaDinâmica de emaranhamentoAlgoritmo quânticoCusto computacionalIdentification of prime numbersQuantum computingEntanglement dynamicsQuantum algorithmComputational costCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAThe identification of prime numbers is an ancient area of study with applications in cryptography and fundamental mathematical problems, such as the Riemann Hypothesis (RH). Classical algorithms, like the Sieve of Eratosthenes and the AKS Primality Test, are efficient examples for this purpose. However, quantum computing (QC), with its superior theoretical capacity, has inspired the development of quantum algorithms, many of which are probabilistic or rely on the RH. In this dissertation, we propose a deterministic and efficient quantum algorithm that generalizes a recent method from quantum optics to identify prime numbers through entanglement dynamics. We adapted this method for QC, removing several constraints from the original work, and showed that discrete bipartite quantum systems prepared in certain initial states can be used to identify prime numbers through the Fourier modes of the reduced purity of one of the subsystems. The proposed algorithm is viable for implementation in future fault-tolerant QC systems. The initial steps involve encoding the system in qubits and preparing a maximally superposed state. In the state evolution step, we use Walsh matrices to efficiently prepare diagonal unitary gates. The reduced purity is measured using a modified controlled-SWAP test, and the Fourier modes are obtained via the numerical calculation of a one-dimensional integral. Subsequently, we present the simulations performed in Qiskit, which demonstrate the validity of the algorithm in all its stages. Finally, we discuss the computational cost, quantifying the number of elementary gates as a function of the number of qubits and speculating the total computational complexity of the algorithm.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA identificação de números primos é uma área de estudo milenar com aplicações em criptografia e problemas fundamentais da matemática, como a Hipótese de Riemann (HR). Algoritmos clássicos, como o Crivo de Eratóstenes e o Teste de Primalidade de AKS, são exemplos eficientes para esse propósito. No entanto, a computação quântica (CQ), com sua capacidade teórica superior, tem inspirado o desenvolvimento de algoritmos quânticos, muitos dos quais são probabilísticos ou dependem da HR. Nesta dissertação, propomos um algoritmo quântico determinístico e eficiente, que generaliza um método recente da óptica quântica para identificar números primos através da dinâmica de emaranhamento. Adaptamos esse método para a CQ, eliminando várias restrições do trabalho original, e mostramos que sistemas quânticos bipartidos discretos preparados em certos estados iniciais podem ser usados para identificar números primos pelos modos de Fourier da pureza reduzida de um dos subsistemas. O algoritmo proposto é viável para implementação em futuros sistemas de CQ tolerantes a falhas. As primeiras etapas envolvem a codificação do sistema em qubits e a preparação de um estado de superposição máxima. Na etapa de evolução do estado, utilizamos matrizes de Walsh para implementar portas unitárias diagonais de forma eficiente. A medição da pureza reduzida é realizada por um teste da SWAP controlada modificado, e os modos de Fourier são obtidos via cálculo numérico de uma integral unidimensional. Posteriormente, apresentamos as simulações realizadas usando Qiskit, que demonstram a validade do algoritmo em todas as suas etapas. Por fim, discutimos o custo computacional, quantificando o número de portas elementares em função do número de qubits e especulando a complexidade computacional total do algoritmo.Universidade Federal de Santa MariaBrasilFísicaUFSMPrograma de Pós-Graduação em FísicaCentro de Ciências Naturais e ExatasMaziero, Jonashttp://lattes.cnpq.br/1270437648097538Santos, Lea Ferreira dosRibeiro, Alexandre DiasSantos, Victor Ferreira dos2024-11-01T12:16:26Z2024-11-01T12:16:26Z2024-09-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/33301ark:/26339/001300001b86jporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2024-11-01T12:35:21Zoai:repositorio.ufsm.br:1/33301Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2024-11-01T12:35:21Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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The identification of prime numbers is an ancient area of study with applications in cryptography and fundamental mathematical problems, such as the Riemann Hypothesis (RH). Classical algorithms, like the Sieve of Eratosthenes and the AKS Primality Test, are efficient examples for this purpose. However, quantum computing (QC), with its superior theoretical capacity, has inspired the development of quantum algorithms, many of which are probabilistic or rely on the RH. In this dissertation, we propose a deterministic and efficient quantum algorithm that generalizes a recent method from quantum optics to identify prime numbers through entanglement dynamics. We adapted this method for QC, removing several constraints from the original work, and showed that discrete bipartite quantum systems prepared in certain initial states can be used to identify prime numbers through the Fourier modes of the reduced purity of one of the subsystems. The proposed algorithm is viable for implementation in future fault-tolerant QC systems. The initial steps involve encoding the system in qubits and preparing a maximally superposed state. In the state evolution step, we use Walsh matrices to efficiently prepare diagonal unitary gates. The reduced purity is measured using a modified controlled-SWAP test, and the Fourier modes are obtained via the numerical calculation of a one-dimensional integral. Subsequently, we present the simulations performed in Qiskit, which demonstrate the validity of the algorithm in all its stages. Finally, we discuss the computational cost, quantifying the number of elementary gates as a function of the number of qubits and speculating the total computational complexity of the algorithm. |
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