Μελέτη μονοδιάστατων μαγνητικών αλυσίδων με μεθοδολογία κβαντικού Monte Carlo

Πέτρος Ανδροβιτσανέας

Published Oct 1, 2010• 0 citations

Abstract

Στην συγκεκριμένη εργασία ασχολούμαστε με την μελέτη θερμικά σύμπλεκτων (entangled) καταστάσεων πολλών κβαντικών bit (qubit) σε διάφορα μοντέλα Heisenberg με την μέθοδο Monte Carlo (MC). \nΑρχικά χρησιμοποιώντας τον μετασχηματισμό Suzuki-Trotter μετατρέπουμε την κβαντική μονοδιάστατη αλυσίδα των spin (μοντέλα Ising, Heisenberg με και χωρίς μαγνητικό πεδίο στις διευθύνσεις x,y,z) σε κλασικό δισδιάστατο πλέγμα. Εξετάζουμε την συμπεριφορά του συγκεκριμένου μετασχηματισμού για το αντισιδηρομαγνητικό Heisenberg ΧΧΧ μοντέλο, για το σιδηρομαγνητικό Heisenberg μοντέλο (ΧΧΧ και ΧΥΖ) χωρίς και με μαγνητικό πεδίο στις διευθύνσεις x,y,z για διάφορα μήκη της αλυσίδας, διαφορετικές διαστάσεις Trotter και διαφορετικό αριθμό Monte Carlo βημάτων (MCΒήματα). Μελετάμε την συμπεριφορά της θερμοχωρητικότητας, της ενέργειας, της μαγνητικής επιδεκτικότητας και της μαγνήτισης στις διευθύνσεις x,y,z. Επιβεβαιώνουμε την σωστή συμπεριφορά τους με βάση τα αναλυτικά αποτελέσματα. \nΤέλος γνωρίζοντας, ότι η κλασική συσχέτιση είναι το κάτω όριο της ποσότητας Localizable Entanglement, και ότι η ποσότητα Entanglement of Assistance είναι το πάνω όριο, εκτιμούμε για τα ίδια μοντέλα τη συμπεριφορά των ορίων και προσπαθούμε να εκτιμήσουμε το μήκος σύμπλεξης (Entanglement Length) για διάφορες θερμοκρασίες.

Related papers

Μελέτη διάδοσης οπής σε κβαντικά συστήματα σπιν με τη μέθοδο της διαγραμματικής Monte Carlo

Νικόλαος Διαμαντής

Στην παρούσα εργασία εισάγουμε μια νέα μέθοδο, η οποία είναι ο συνδυασμός της μεθόδου Διαγραμματική Monte Carlo (DMC) με μεθόδους Επιπέδου Ιστογράμματος, τη μέθοδο Επιπέδου Ιστογράμματος Διαγραμματική Monte Carlo" (FHDMC). Εφαρμόζοντας την FHDMC και άλλες εκδοχές της DMC σε συγκεκριμένο επιλύσιμο πρόβλημα, συγκεκριμένα το πρόβλημα του πολαρονίου Froehlich και για συγκεκριμένης μορφής διαγραμμάτων Feynman, υπολογίζουμε τη συνάρτηση Green φανταστικού χρόνου. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων προκύπτει η υπεροχή της FHDMC ως προς την ποιότητα των αποτελεσμάτων και τον ευθύ τρόπο εφαρμογής της. Εφαρμόζουμε την FHDMC και άλλες εκδοχές της DMC για τον υπολογισμό της συνάρτησης Green φανταστικού χρόνου G(τ) σε επιλύσιμο πρόβλημα, που είναι το μοντέλο t-J στη γραμμική προσέγγιση των κυμάτων spin με περιορισμό των υπολογισμών στο χώρο των διαγραμμάτων Feynman που προσδιορίζονται με την μη τεμνόμενων διαγραμμάτων προσέγγιση (NCA, Non Crossing Approximation). Αντιστρέφουμε τα παραπάνω αποτελέσματα της G(τ) με την μέθοδο αναλυτικής συνέχισης ``Στοχαστική Αναλυτική Διαδικασία" (SAI) και προσδιορίζουμε τη φασματική συνάρτηση A(ω) για κάθε περίπτωση. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της αντιστροφής με την ακριβή λύση για τη φασματική συνάρτηση, προκύπτει η σαφής υπεροχή της FHDMC έναντι των άλλων μεθόδων. Τέλος εφαρμόζουμε την FHDMC για υπολογισμούς της φασματικής συνάρτησης A(ω), της σχέσης διασποράς και του φασματικού βάρους του οιονεί σωματιδίου, χωρίς προσέγγιση για την κίνηση μιας οπής για το μοντέλο t-J και της παραλλαγής του t-J1-J2 στη γραμμική προσέγγιση των κυμάτων spin, όπου εμφανίζεται και το πρόβλημα του φερμιονικού πρόσημου. Διαπιστώνεται η υπεροχή της FHDMC για την αντιμετώπιση του προβλήματος του φερμιονικού πρόσημου, και αξιολογείται σε κάθε περίπτωση η ακρίβεια της προσέγγισης NCA.

Jun 1, 20150 citations

Κρυπτογραφία πλεγμάτων: θεωρία και πράξη

Σοφία Παπαμανώλη

H διπλωματική εργασία αποτελεί μια βιβλιογραφική ανασκόπηση της θεωρίας και των εφαρμογών στην περιοχή της Κρυπτογραφίας Πλεγμάτων (Lattice Cryptography). Ένας μακροπρόθεσμος στόχος στην Κρυπτογραφία Δημοσίου Κλειδιού, για τη μετάβαση από τις υφιστάμενες και δοκιμασμένες μεθόδους σε προτάσεις για τις μελλοντικές γενιές επεξεργαστών (quantum-safe cryptography), είναι η αντικατάσταση των πρωταρχικών δομικών κρυπτογραφικών στοιχείων (cryptographic primitives). Προϋπόθεση για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι η εύρεση εναλλακτικών οι οποίες στηρίζονται σε μαθηματικό υπόβαθρο (provable security) και επιπλέον ικανοποιούν τις τεχνικές απαιτήσεις για πρακτική ασφάλεια (security levels) και αποδοτική υλοποίηση (efficiency properties). H Κρυπτογραφία Πλεγμάτων έχει αναδειχθεί τις τελευταίες δεκαετίες σε μια ερευνητική περιοχή που συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον τόσο για τον πλούτο των θεωρητικών κατασκευών όσο και για τις πιο πρόσφατες επιτυχίες στις προτάσεις υλοποίησης αποδοτικών αλγορίθμων. Στο Κεφάλαιο 1 δίνεται η μαθηματική περιγραφή και οι βασικοί αλγόριθμοι για τα υπολογιστικά προβλήματα πλεγμάτων που αξιοποιούνται στην κρυπτογραφία. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι τεχνικές κατασκευής πρωταρχικών κρυπτογραφικών στοιχείων οι οποίες βασίζονται στα προβλήματα Learning With Errors (LWE) και Short Integer Solution (SIS) με αναγωγή σε προβλήματα πλεγμάτων. Καταγράφονται, επίσης, τα κλασικά συστήματα κρυπτογράφησης και ψηφιακών υπογραφών τα οποία έχουν μελετηθεί στον ακαδημαϊκό χώρο. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στις πρόσφατες προσπάθειες προτυποποίησης και σε ορισμένα σύγχρονα κρυπτογραφικά σχήματα που έχουν υλοποιηθεί. Το μεγάλο εύρος στο ακαδημαϊκό πεδίο της έρευνας καθιστά δύσκολη την εξαντλητική συγκριτική ανάλυση και πολλές πρακτικές λεπτομέρειες δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμα. H βιομηχανία τελικά θα υιοθετήσει μόνο τις ολοκληρωμένες κρυπτογραφικές προτάσεις που έχουν διερευνηθεί και προτυποποιηθεί από την ερευνητική κοινότητα. Η συστηματική θεμελίωση και αξιολόγηση των υποσχόμενων νέων τεχνικών κρυπτογράφησης πρέπει να προηγηθεί της έρευνας και κατασκευής νέων επεξεργαστών, οι οποίοι θα επιβάλλουν ριζική αναθεώρηση της δημόσιας Κρυπτογραφίας. Στο άμεσο μέλλον αναμένεται να συγκεντρωθούν και να παρουσιαστούν σαφέστερα οι επικρατέστερες εναλλακτικές προκειμένου να καθοριστούν συγκεκριμένες κατευθύνσεις εξειδίκευσης της έρευνας · είναι βέβαιο ότι οι κατασκευές της σύγχρονης Κρυπτογραφίας Πλεγμάτων θα έχουν θέση ανάμεσα σε αυτές.

Oct 23, 20150 citations

Στατιστική φυσική πλεγματικών προτύπων πολύπλοκων συστημάτων με αταξία

Νικόλαος Φυτάς

Στην παρούσα διατριβή μελετάται αριθμητικά η κρίσιμη συμπεριφορά πολύπλοκων κλασικών συστημάτων spin τύπου Ising με αταξία. Αναπτύσσεται μια αριθμητική μεθοδολογία η οποία συνδυάζει σύγχρονες μεθόδους εντροπικής δειγματοληψίας (αλγόριθμος Wang-Landau) με την τεχνική του ελάχιστου κρίσιμου ενεργειακού υπόχωρου και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα εφαρμογής της μεθόδου σε μια σειρά συστημάτων. Αρχικά διερευνάται η κρίσιμη συμπεριφορά του τρισδιάστατου μοντέλου Ising τυχαίου πεδίου δίτιμης κατανομής. Μέσω μιας συστηματικής μελέτης σε χαμηλές θερμοκρασίες προσδιορίζεται με ακρίβεια το διάγραμμα φάσης του μοντέλου, η κρίσιμη τιμή του μέτρου τυχαιότητας και ο κρίσιμος εκθέτης του μήκους συσχέτισης, ενώ ταυτόχρονα δίδεται μια οριστική απάντηση στο ανοικτό ζήτημα της τάξεως της αλλαγής φάσης για υψηλές τιμές του μέτρου τυχαιότητας. Μελετώντας την κλιμάκωση πεπερασμένου πλέγματος του φράγματος της ελεύθερης ενέργειας και της λανθάνουσας θερμότητας, δείχνεται ότι τα χαρακτηριστικά της αλλαγής φάσης πρώτης τάξεως που εμφανίζει το μοντέλο, είναι φαινόμενα που εξαφανίζονται στο θερμοδυναμικό όριο, σε αντίθεση με την πρόβλεψη της θεωρίας μέσου πεδίου για την ύπαρξη τρικρίσιμου σημείου και αλλαγή φάσης πρώτης τάξεως. Επίσης, για το ίδιο μοντέλο, μελετάται η κλιμάκωση πεπερασμένου πλέγματος της ειδικής θερμότητας και αναδεικνύεται η ιδιότητα της έλλειψης αυτοαθροιστικότητας καθώς και η πιθανή απουσία ύπαρξης κλάσης οικουμενικότητας του μοντέλου. Επιβεβαιώνονται οι θεωρητικές προβλέψεις για ισχυρές δειγματικές διακυμάνσεις της μαγνητικής επιδεκτικότητας και παρουσιάζονται ισχυρά στοιχεία υπερ του σεναρίου κλιμάκωσης δύο εκθετών. Τέλος, στο τελευταίο μέρος της διατριβής μελετάται η επίδραση τυχαιότητας στο μέτρο της ενέργειας ανταλλαγής στο απλό μοντέλο Ising και στο υπεραντισιδηρομαγνητικό μοντέλο Ising με ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις πρώτων και δευτέρων γειτόνων σε τετραγωνικό και τριγωνικό πλέγμα. Τα αριθμητικά δεδομένα και η λεπτομερής ανάλυση που παρουσιάζεται υποδεικνύουν ότι το μεν μοντέλο Ising τυχαίου δεσμού περιγράφεται αρκετά ικανοποιητικά από το σενάριο των λογαριθμικών διορθώσεων, τα δε υπεραντισιδηρομαγνητικά μοντέλα τυχαίου δεσμού, τόσο στο τετραγωνικό πλέγμα - που στην καθαρή εκδοχή του εμφανίζει συνεχή αλλαγή φάσης, όσο και στο τριγωνικό πλέγμα - που στην καθαρή εκδοχή του εμφανίζει ασθενή αλλαγή φάση πρώτης τάξεως - ικανοποιούν τη γενικευμένη διατύπωση της ασθενούς οικουμενικότητας για τα τυχαία συστήματα. Η ειδική θερμότητα των τελευταίων παρουσιάζει μια ισχυρά συγκλίνουσα συμπεριφορά η οποία και αποδίδεται στην παρουσία των ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα για τα υπεραντισιδηρομαγνητικά πρότυπα τόσο στο τετραγωνικό, όσο και στο τριγωνικό πλέγμα είναι σε καλή συμφωνία με τα γενικά θεωρητικά επιχειρήματα που έχουν διατυπωθεί για την επίδραση της τυχαιότητας σε αλλαγές φάσης δευτέρας (κριτήριο Harris) και πρώτης τάξεως (θεώρημα Aizenman - Wehr), αντίστοιχα.

May 1, 20090 citations

Υλοποίηση qubit και διόρθωση κβαντικού κώδικα

Γιώργος Χιώτης

Η κατασκευή ενός ολοκληρωμένου κβαντικού υπολογιστή αποτελεί μια πρόκληση για τη σύγχρονη επιστήμη. Ο κβαντικός υπολογιστής μας δίνει την ελπίδα πως κάποια στιγμή στο κοντινό μέλλον, θα είμαστε σε θέση να λύνουμε προβλήματα ταχύτερα και πιο αποδοτικά από ότι κάνει ένας κλασσικός υπολογιστής σήμερα. Για παράδειγμα, ο κβαντικός αλγόριθμος παραγοντοποίησης του Shor [3] πετυχαίνει εκθετική επιτάχυνση έναντι του κλασσικού, κάτι που σημαίνει πως η χρήση του πρωτόκολλου κρυπτογράφησης RSA δεν θα είναι όσο ασφαλής είναι σήμερα. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μεγάλες αλλαγές στις επικοινωνίες και στις συναλλαγές στο προσεχές μέλλον. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα περιγράψουμε τις αρχές που πρέπει να πληρεί ένα κβαντικό σύστημα για να θεωρηθεί κβαντικός υπολογιστής, πώς υλοποιούμε ένα qubit που είναι η μονάδα πληροφορίας του και τέλος θα μιλήσουμε για το πώς κωδικοποιούμε την κβαντική πληροφορία ώστε να είμαστε σε θέση να τη διορθώσουμε. Αρχίζουμε με τη διατύπωση των αρχών της κβαντικής μηχανικής , όπως προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία. Συνεχίζουμε με την υπεραγωγιμότητα, το φαινόμενο που μας επιτρέπει να χειριζόμαστε μακροσκοπικά της κβαντικές ιδιότητες της ύλης, όπως και κάποια ακόμα φαινόμενα, όπως αυτό του Meissner, που μας δίνουν τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε το κυκλώμα που υλοποιεί το qubit. Τέλος, περιγράφουμε θεωρητικά ένα καθολικό σύνολο από κβαντικές πύλες και τα κυκλώματα διόρθωσης λαθών κβαντικού κώδικα.

Jul 11, 20140 citations

Ανάπτυξη βιβλιοθήκης και περιβάλλοντος εξομοίωσης κβαντικών υπολογισμών σε γλώσσα Python

Πετρούλα Μαυρίδη

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την ανάπτυξη βιβλιοθήκης συναρτήσεων για κβαντικό υπολογισμό και τη δημιουργία γραφικού περιβάλλοντος το οποίο χρησιμοποιεί τη συγκεκριμένη βιβλιοθήκη. Αρχικά μελετήθηκαν: πρώτον, οι βασικές έννοιες που διέπουν τους κβαντικούς υπολογιστές και δεύτερον, η χρήση και οι δυνατότητες της γλώσσας python. Εν συνέχεια, ύστερα από εμβάθυνση στα ανωτέρω πεδία πραγματοποιήθηκε η συγγραφή της κβαντικής βιβλιοθήκης καθώς και η δημιουργία του γραφικού περιβάλλοντος που χρησιμοποιεί τη κβαντική αυτή βιβλιοθήκη. Επίσης δημιουργήθηκε και μία γραφική διεπαφή για την παρουσίαση των γραφικών παραστάσεων που παρουσιάζουν τα αποτελέσματα του κβαντικού υπολογισμού. Η ανάπτυξη του προγράμματος πραγματοποιήθηκε σε γλώσσα Python.

May 27, 20100 citations

Design and synthesis of efficient circuits for quantum computers

Αρχιμήδης Παυλίδης

Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της πειραματικής κατασκευής κβαντικών υπολογιστών με εξαρτήματα αυξημένης αξιοπιστίας δείχνει ότι η κατασκευή τέτοιων μεγάλων μηχανών βασισμένων στις αρχές της κβαντικής φυσικής είναι πιθανή στο κοντινό μέλλον. Καθώς το μέγεθος των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών θα αυξάνεται, η σχεδίαση αποδοτικότερων κβαντικών κυκλωμάτων και μεθόδων σχεδίασης θα αποκτήσει σταδιακά πρακτικό ενδιαφέρον. Η συνεισφορά της διατριβής στην κατεύθυνση της σχεδίασης αποδοτικών κβαντικών κυκλωμάτων είναι διττή: Η πρώτη είναι η σχεδίαση καινοτόμων αποδοτικών αριθμητικών κβαντικών κυκλωμάτων βασισμένων στον Κβαντικό Μετασχηματισμό Fourier (QFT), όπως πολλαπλασιαστής-με-σταθερά-συσσωρευτής (MAC) και διαιρέτης με σταθερά, με γραμμικό βάθος (ή ταχύτητα) ως προς τον αριθμό ψηφίων των ακεραίων. Αυτά τα κυκλώματα συνδυάζονται αποτελεσματικά ώστε να επιτελέσουν την πράξη του modulo πολλαπλασιασμού με σταθερά με γραμμική πολυπλοκότητα χρόνου και χώρου και συνεπώς μπορούν να επιτελέσουν την πράξη της modulo εκθετικοποίησης (modular exponentiation) με τετραγωνική πολυπλοκότητα χρόνου και γραμμική πολυπλοκότητα χώρου. Οι πράξεις της modulo εκθετικοποίησης και του modulo πολλαπλασιασμού είναι αναπόσπαστα μέρη του σημαντικού κβαντικού αλγορίθμου παραγοντοποίησης του Shor, αλλά και άλλων κβαντικών αλγορίθμων της ίδιας οικογένειας, γνωστών ως κβαντική εκτίμηση φάσης (Quantum Phase Estimation). Αντιμετωπίζονται με αποτελεσματικό τρόπο σημαντικά προβλήματα υλοποίησης, που σχετίζονται με την απαίτηση χρήσης κβαντικών πυλών περιστροφής υψηλής ακρίβειας, καθώς και της χρήσης τοπικών επικοινωνιών. Η δεύτερη συνεισφορά της διατριβής είναι μία γενική μεθοδολογία ιεραρχικής σύνθεσης κβαντικών και αντιστρέψιμων κυκλωμάτων αυθαίρετης πολυπλοκότητας και μεγέθους. Η ιεραρχική μέθοδος σύνθεσης χειρίζεται καλύτερα μεγάλα κυκλώματα σε σχέση με τις επίπεδες μεθόδους σύνθεσης. Η προτεινόμενη μέθοδος προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συνήθεις ιεραρχικές συνθέσεις που χρησιμοποιούν την μέθοδο "υπολογισμός-αντιγραφή-αντίστροφος υπολογισμός" του Bennett.

Dec 1, 20160 citations