Este artigo apresenta a implementacao de um algoritmo de busca quântica com pequenas modificacoes. A ideia desse algoritmo e ser hibrido, podendo funcionar em sistemas classicos e sistemas quânticos. Sao apresentados os conceitos quânticos das buscas e introduzido um pseudo-framework capaz de gerar codigos para computadores classicos (C++) e computadores quânticos (QCL). Os algoritmos foram submetidos a simulacoes, que resultaram em um estudo comparativo do funcionamento do algoritmo de Grover em ambos os sistemas, realizando buscas em uma massa de dados em arquivos no formato XML. Como resultado, observa-se numeros muito parecidos entre sistemas classicos e quânticos, isso gera uma expectativa de que a busca em computadores quânticos reais seja muito mais eficiente.
Este artigo apresenta a implementacao de um algoritmo de busca quântica com pequenas modificacoes. A ideia desse algoritmo e ser hibrido, podendo funcionar em sistemas classicos e sistemas quânticos. Sao apresentados os conceitos quânticos das buscas e introduzido um pseudo-framework capaz de gerar codigos para computadores classicos (C++) e computadores quânticos (QCL). Os algoritmos foram submetidos a simulacoes, que resultaram em um estudo comparativo do funcionamento do algoritmo de Grover em ambos os sistemas, realizando buscas em uma massa de dados em arquivos no formato XML. Como resultado, observa-se numeros muito parecidos entre sistemas classicos e quânticos, isso gera uma expectativa de que a busca em computadores quânticos reais seja muito mais eficiente.
O objetivo do trabalho é estudar algoritmos quânticos de busca, usados em computadores quânticos. Até então, algoritmos de busca utilizados em computadores clássicos dependem da estrutura na qual os dados estão organizados para serem ou não eficientes. Para conjuntos de dados não estruturados, o único jeito é verificar cada elemento do conjunto procurando o elemento passado na entrada do algoritmo, e dependendo da quantidade de elementos nesse conjunto, pode-se levar muito tempo, mesmo para computadores muito rápidos. Portanto, algoritmos que realizem busca de maneira eficiente são um atrativo e tanto para cientistas da computação, que podem pensar em inúmeras aplicações dos mesmos e tornar vários softwares cada vez mais eficientes. Tendo isso em vista, a computação quântica traz artifícios inexistentes na computação clássica que podem acelerar esse processo, como, por exemplo, o paralelismo quântico. Basicamente, consiste na capacidade de sobrepor todos os dados do conjunto em um único registrador, ou a grosso modo, analisar todos ao mesmo tempo, apesar de não ser tão simples quanto isso. É baseado nisso que temos o Algoritmo de Grover, que utilizando o paralelismo quântico, e reflexões no conjunto de dados, através do uso de transformações unitárias feitas por portas quânticas, temos uma probabilidade alta de que quando medirmos este registrador quântico, termos como resultado o dado procurado.
Computação quântica é uma área de grande desenvolvimento hoje em dia e isso traz uma necessidade para desenvolver hardware e software. Uma vez que o hardware disponível é muito pouco e o software precisa de ser testado, existe uma necessidade de uma boa plataforma para testar as soluções de software. Simular um computador quântico num computador clássico não é ideal, contudo é uma resposta viável a esta necessidade, para um pequeno número de qubits. Além disso, os computadores quânticos necessitam dos computadores clássicos de forma a criar um sistema real prático, isto apresenta-se como uma excelente oportunidade para testar técnicas de programação clássica para melhorar a programação quântica. Esta tese propõe o uso de programação clássica para melhorar a implementação de um algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas. Os principais objectivos deste trabalho são: simular um circuito quântico; testar um algoritmo quântico e compará-lo com o seu equivalente clássico; implementar o algoritmo de adição modular, usando as capacidades de aceleração de computação das transformadas de Fourier quânticas e optimizá-lo; Testar e implementar códigos quânticos de correcção de erros; fazer um teste num computador quântico real.De forma a testar a linguagem e comparar um algoritmo quântico com um clássico, fez-se um teste ao algoritmo de Shor que está disponível de raiz na plataforma liquid. Apesar do algoritmo de Shor ter, teoricamente, uma dependência de tipo polinomial com a dimensão do problema, os testes realizados mostraram que o tempo de computação tem um comportamento exponencial. Simular um algoritmo quântico num computador clássico requer tempo de computação que cresce de forma exponencial, pois é necessário armazenar e processar todos os estados do sistema, que é um espaço de Hilbert de dimensão 2^n.O algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas foi implementado na plataforma liquid. Seguidamente fizeram-se melhorias e optimizações. O número de operações teórico é O(n^2). Contudo, depois de fazer melhorias ao circuito, removendo gates desnecessárias para casos específicos, o número de operações passa a ter um valor mínimo de Omega(n). Com este tipo de alterações o sistema pode apresentar melhorias no que respeito ao tempo de simulação até um factor de ordem 10. Isto mostra que programar um algoritmo quântico tendo em conta casos específicos pode melhorar imenso o desempenho da simulação.Os códigos de correção de erros quânticos foram implementados num circuito simples, com as ferramentas disponíveis na plataforma liquid, e obteve-se um sistema que consegue lidar com erros com probabilidade inferior ou igual a 2%, com uma taxa de sucesso na sua correção de 95%. Contudo são necessários circuitos muito grandes, pouco exequíveis.A plataforma disponibilizada pela IBM para fazer testes num computador quântico real, foi utilizada para testar o algoritmo de adição modular e adição normal (com carry bit). Uma vez que esta plataforma tem um número limitado de gates, reforça a ideia de que se deve otimizar os algoritmos tendo em conta casos particulares. Os resultados destes testes mostram também que é importante utilizar correcção de erros quânticos, mas para que isso seja viável é necessário que haja mais qubits disponíveis ou outro tipo de códigos.
A proposta deste trabalho e implementar o algoritimo de Grover, um algoritmo quântico de busca, utilizando a linguagem de programacao quântica QCL (Quantum Computation Language). Buscou-se melhor compreensao dos fundamentos da mecânica quântica que possibilitam o processamento de informacao em sistemas quânticos e que em alguns casos seriam mais eficientes do que em computadores classicos. Com este fim, sera estudado a manipulacao dos estados quânticos pelos comandos disponiveis pela linguagem QCL.
O presente estudo objetivou analisar os dados de simulações de dois algoritmos quânticos diferentes: Algoritmo de Deutsch e a Transformada de Fourier Quântica. Para tal abordagem foi utilizado o framework Qiskit na realização das simulações dos algoritmos anteriormente apresentados. Tais simulações se deram na máquina local (computador clássico) e nos chips quânticos da International Business Machines (IBM) via nuvem. Na máquina local, os resultados obtidos são os previstos pela teoria. Nos protótipos da IBM, no entanto, pequenas flutuações de erro puderam ser observadas. Todavia, os estados quânticos esperados foram obtidos com ótima probabilidade. Nossos resultados mostram que os computadores quânticos utilizados são robustos para os algoritmos estudados, sendo essa uma maneira bastante intuitiva para o ensino dos conceito de informação e computação quântica para o estudantes do ciclo profissional (técnico) da graduação.
Esta dissertação apresenta dois resultados da aplicação do Algoritmo Quântico de Busca (Algoritmo de Grover) em problemas da área da Teoria da Informação. O primeiro deles visa testar a qualidade de um Código de Bloco Linear dado que uma importante característica dos mesmos é a distância mínima d entre as palavras que o compõe. A solução apresentada utiliza o Algoritmo da Contagem Quântica para melhorar o desempenho do cálculo de d, para o qual algoritmos clássicos são normalmente intratáveis. Assim tal distância pode ser utilizada como comparativo entre códigos diferentes. O segundo problema estudado é denominado Ataque Quântico ao Gerador Pseudo-aleatório de Blum-Micali. Tais geradores são utilizados em simulações de sistemas físicos e criptografia, substituindo geradores de números realmente aleatórios que são de difícil implementação. Neste trabalho utiliza-se o Algoritmo de Grover para quebrar a segurança do processo de geração dos números.
Desde a primeira vez que computação quântica foi concetualizada por Feynman, simulação quântica tem estado na vanguarda das possiveis aplicações de interesse. Os custos proibitivos de simular sistemas quânticos com computadores classicos são uma forte motivação para a investigação em computação quântica. Ao longo da última década, tem-se observado um progresso notável no desenvolvimento de hardware quantico. No entanto, os obstáculos entre nos e a era de vantagem quantica util mantem-se essencialmente os mesmos: A informação quântica e fragil, e protegê-la é um desafio. Visto que os dispositivos quânticos atuais são ruidosos e tem um número limitado de qubits, desenvolver algoritmos que possam ser executados neles e uma area de investigação importante. Por resultarem em circuitos de preparação de estado (ansatze) pouco profundos e treinaveis, algoritmos quânticos variacionais (VQAs) adaptativos são uma opção promissora. O primeiro algoritmo nesta classe, o ADAPT-VQE, pode ser utilizado para problemas de estrutura eletronica, otimização combinatoria, materia condensada, sistemas periódicos no tempo, entre outros. Nesta tese, são propostas varias melhorias para VQAs adaptativos, com o objetivo de diminuir os custos e aumentar a viabilidade a curto prazo. Propõe-se um otimizador quasi-Newton para VQAs adaptativos que reduz os custos de medição necessários para implementar estes algoritmos em hardware quântico, bem como o tempo necessario para os simular classicamente. Propõe-se ainda um novo conjunto de operadores — “operatores de intercambio acoplado” (CEOs) — que resulta no menor numero de portas quanticas e na menor profundidade de circuito entre todas as propostas na literatura. Combina-se varios desenvolvimentos-chave e mostra-se uma redução dramatica dos recursos computacionais quânticos necessários em comparação com as primeiras versões do algoritmo ou com ansätze estáticos para VQE. Adicionalmente, propõe-se uma versão codesenhada do ADAPT-VQE (Co-ADAPT-VQE) onde o hardware quântico e tido em consideração na construção do ansatz. Este paradigma pode ser utilizado para otimizar circuitos de preparação de estado em qualquer dispositivo, colmatando limitações como conetividade limitada, tempos de coerencia curtos, e erros nas portas quanticas. Finalmente, propomos estrategia para mitigar “vales de gradientes”, um problema de convergência especifico ao ADAPT-VQE.