Realizar computacao quântica real esta no roteiro de trabalho de empresas gigantes da computacao como Microsoft, Google e IBM. Algumas delas disponibilizam acesso a seus prototipos gratuitamente por meio de suas APIs para pesquisadores de todo o mundo a fim de popularizar o assunto entre a academia e entusiastas. Este e o caso do Qiskit, uma API Open Source escrita em Python para dar suporte a modelagem, simulacao e execucao de algoritmos quânticos em dispositivos NISQ (Noise Intermediate Scale Quantum) da IBM. Porem, a dificuldade de construir um computador quântico torna ainda necessario investir na simulacao de sistemas quânticos em computadores classicos, com o objetivo de fornecer um ambiente mais acessivel para criacao e aprimoramento de algoritmos quânticos maiores do que os prototipos existentes podem suportar. Acontece que a natureza paralela e exponencial da computacao quântica torna impossivel realizar simulacoes com eficiencia de tempo em maquinas sequenciais classicas. Para enfrentar este problema, a literatura tem mostrado alternativas explorando o paralelismo de outras arquiteturas como FPGAs e GPUs, com o objetivo de transferir a complexidade da simulacao do dominio do tempo para o dominio do espaco. Curiosamente, apesar de suportar simulacao em GPU, a API Qiskit ainda nao possui suporte para executar em FPGA. Pretendemos investigar diferentes modelos de arquitetura customizada para simulacao de algoritmos quânticos em FPGA, visando futura implementacao em um ASIC. Os modelos serao implementados em Verilog HDL, validados usando os prototipos de computadores quânticos da IBM como modelos de referencia, e serao comparados tendo como metricas de avaliacao parâmetros como escalabilidade e tempo de execucao. A ideia final e contornar o mecanismo de simulacao nativo da Qiskit para executar remotamente em um modelo FPGA disponivel remotamente por meio de nosso servico web capaz de processar essas solicitacoes, executar o algoritmo quântico e enviar os resultados finais de volta. O projeto encontra-se em desenvolvimento, ja tendo sido realizado os primeiros estudos sobre os fundamentos da computacao quântica, estudo da API Qiskit, e implementacao dos primeiros circuitos quânticos em C e em Python visando entendimento e desafios da complexidade de simulacao inerentes a esse novo modelo computacional.
Realizar computacao quântica real esta no roteiro de trabalho de empresas gigantes da computacao como Microsoft, Google e IBM. Algumas delas disponibilizam acesso a seus prototipos gratuitamente por meio de suas APIs para pesquisadores de todo o mundo a fim de popularizar o assunto entre a academia e entusiastas. Este e o caso do Qiskit, uma API Open Source escrita em Python para dar suporte a modelagem, simulacao e execucao de algoritmos quânticos em dispositivos NISQ (Noise Intermediate Scale Quantum) da IBM. Porem, a dificuldade de construir um computador quântico torna ainda necessario investir na simulacao de sistemas quânticos em computadores classicos, com o objetivo de fornecer um ambiente mais acessivel para criacao e aprimoramento de algoritmos quânticos maiores do que os prototipos existentes podem suportar. Acontece que a natureza paralela e exponencial da computacao quântica torna impossivel realizar simulacoes com eficiencia de tempo em maquinas sequenciais classicas. Para enfrentar este problema, a literatura tem mostrado alternativas explorando o paralelismo de outras arquiteturas como FPGAs e GPUs, com o objetivo de transferir a complexidade da simulacao do dominio do tempo para o dominio do espaco. Curiosamente, apesar de suportar simulacao em GPU, a API Qiskit ainda nao possui suporte para executar em FPGA. Pretendemos investigar diferentes modelos de arquitetura customizada para simulacao de algoritmos quânticos em FPGA, visando futura implementacao em um ASIC. Os modelos serao implementados em Verilog HDL, validados usando os prototipos de computadores quânticos da IBM como modelos de referencia, e serao comparados tendo como metricas de avaliacao parâmetros como escalabilidade e tempo de execucao. A ideia final e contornar o mecanismo de simulacao nativo da Qiskit para executar remotamente em um modelo FPGA disponivel remotamente por meio de nosso servico web capaz de processar essas solicitacoes, executar o algoritmo quântico e enviar os resultados finais de volta. O projeto encontra-se em desenvolvimento, ja tendo sido realizado os primeiros estudos sobre os fundamentos da computacao quântica, estudo da API Qiskit, e implementacao dos primeiros circuitos quânticos em C e em Python visando entendimento e desafios da complexidade de simulacao inerentes a esse novo modelo computacional.
Simuladores quânticos têm tido um importante papel no estudo e desenvolvimento da computação quântica ao longo dos anos. A simulação de algoritmos quânticos em computadores clássicos é computacionalmente difícil, principalmente devido à natureza paralela dos sistemas quânticos. Para acelerar essas simulações, alguns trabalhos propõem usar hardware paralelo programável como FPGAs, o que diminui consideravelmente o tempo de execução. Contudo, essa abordagem tem três problemas principais: pouca escalabilidade, já que apenas transfere a complexidade do domínio do tempo para o domínio do espaço; a necessidade de re-síntese a cada mudança no algoritmo; e o esforço extra ao projetar o código RTL para simulação. Para lidar com esses problemas, uma arquitetura de um co-processador SIMD é proposta, cujas operações das portas quânticas está baseada no modelo Network of Butterflies. Com isso, eliminamos a necessidade de re-síntese com mudanças pequenas no algoritmo quântico simulado, e eliminamos a influência de um dos fatores que levam ao crescimento exponencial do uso de recursos da FPGA. Adicionamente, desenvolvemos uma ferramenta para geração automática do código RTL sintetizável do co-processador, reduzindo assim o esforço extra de projeto.
Simuladores quânticos têm tido um importante papel no estudo e desenvolvimento da computação quântica ao longo dos anos. A simulação de algoritmos quânticos em computadores clássicos é computacionalmente difícil, principalmente devido à natureza paralela dos sistemas quânticos. Para acelerar essas simulações, alguns trabalhos propõem usar hardware paralelo programável como FPGAs, o que diminui consideravelmente o tempo de execução. Contudo, essa abordagem tem três problemas principais: pouca escalabilidade, já que apenas transfere a complexidade do domínio do tempo para o domínio do espaço; a necessidade de re-síntese a cada mudança no algoritmo; e o esforço extra ao projetar o código RTL para simulação. Para lidar com esses problemas, uma arquitetura de um co-processador SIMD é proposta, cujas operações das portas quânticas está baseada no modelo Network of Butterflies. Com isso, eliminamos a necessidade de re-síntese com mudanças pequenas no algoritmo quântico simulado, e eliminamos a influência de um dos fatores que levam ao crescimento exponencial do uso de recursos da FPGA. Adicionamente, desenvolvemos uma ferramenta para geração automática do código RTL sintetizável do co-processador, reduzindo assim o esforço extra de projeto.
Resumo: Este trabalho aborda como utilizar a plataforma de computação quântica da empresa IBM e seu framework, conhecido na literatura como IBM Q Experience e Qiskit, respectivamente.Esta plataforma fornece um conjunto de processadores quânticos acessados via nuvem.Esses processadores quânticos podem ser acessados gratuitamente por pesquisadores de diversas áreas: físicos, matemáticos, engenheiros, educadores.Qiskit é um framework de desenvolvimento fornecido pela mesma empresa, que fornece, além da simulação local, a conexão entre o usuário e o processador quântico onde se deseja executar circuitos quânticos ou algoritmos, voltados ao ensino de computação quântica.Nosso trabalho teve como objetivo fornecer um circuito simples que emaranha 2-qubits, utilizando o Qiskit como recurso pedagógico para estudar conceitos básicos da computação quântica como portas, circuitos e, além disso, ainda temos o processo de medição de qubits disponível neste framework.Após a revisão teórica, implementamos as portas e circuitos quânticos no Qiskit, fornecendo o código, o resultado da simulação e, a visualização gráfica desses resultados.Concluímos que o Qiskit provou ser um importante recurso pedagógico para explorar vários conceitos da mecânica quântica e da computação, como portas, circuitos, emaranhamento e medidas quânticas.Na visualização gráfica, o Qiskit pode auxiliar na discussão dos resultados obtidos em circuitos simples e complexos, com foco na pesquisa e ensino da computação quântica.
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 Computacao Quântica surgiu como uma promissora tecnologia alternativa capaz de contornar os problemas previstos para acontecerem em breve com a saturacao da tecnologia atual (Computacao Classica). Estes problemas acontecem quando se trabalha com componentes muito pequenos, da ordem de poucos nanometros, quando os efeitos da Mecânica Quântica comecam a tornar-se mais fortes, gerando resultados aleatorios. A Computacao Quântica toma proveito desses efeitos, resultando numa Computacao nao somente mais rapida, como um novo tipo de Computacao, capaz de realizar tipos novos de computacao impossiveis, em principio, de serem realizadas classicamente. Embora a teoria da Computacao Quântica venha se desenvolvendo com rapidez, a parte experimental ainda enfrenta grandes dificuldades. Embora implementacoes de algoritmos simples e com poucos qubits ja tenham sido realizadas, ainda ha problemas serios de escalabilidade, descoerencia e controlabilidade a serem resolvidos. Devido a esses problemas, torna-se imperativo o uso de simuladores tanto para o desenvolvimento de novos algoritmos quanto para o estudo dos algoritmos existentes. A simulacao, porem, apresenta um problema, no que um sistema quântico so pode ser simulado eficientemente por outro sistema quântico. Um sistema quântico de n qubits levara um tempo O(2n ) para ser simulado por um computador classico. A simulacao, entretanto, mostra-se a alternativa mais viavel em vista da falta de um hardware quântico. Este trabalho apresenta o processo de concepcao e implementacao de um simulador universal de circuitos quânticos, denominado Zeno. O modelo de circuitos quânticos foi escolhido por ser amplamente difundido e de facil assimilacao. O trabalho apresenta uma introducao aos conceitos de Computacao Quântica usados na implementacao do simulador, os requisitos gerais desejaveis para um novo simulador de circuitos quânticos, tanto do ponto de vista funcional quanto do nao-funcional, o processo de desenvolvimento utilizado e uma analise dos resultados obtidos com a implementacao do simulador.
A computação quântica é uma área de pesquisa relativamente nova em que cientistas e empresas de todo o mundo estão investigando suas potenciais aplicações, tanto no contexto científico quanto no contexto industrial. Em particular, a implementação de algoritmos quânticos e a arquitetura de qubits são as tarefas principais para a execução das aplicações de interesse. Apesar das grandes vantagens que computadores quânticos podem proporcionar em relação aos computadores clássicos, existem grandes desafios a serem superados como a decoerência e os ruídos que interferem nos processos investigativos e nos resultados das rotinas empregadas. O trabalho investiga o passeio quântico unidimensional e sua implementação nos computadores quânticos da IBM. Comparamos os principais resultados do passeio clássico com o passeio quântico, em especial foi investigado que o passeio quântico não apresenta uma distribuição de probabilidade normal à medida que o número de passos aumenta, resultado que é observado para o passeio clássico. Além disso, o desvio padrão do passeio quântico é proporcional ao número de passos n, enquanto o desvio padrão do passeio clássico é dado por √n. Através dos computadores quânticos da IBM foram realizados simulações, primeiramente de um passeio quântico de dois qubits e outra de um passeio quântico de três qubits. Os resultados para a simulação do passeio quântico de dois qubits indicam que a simulação efetuada em um computador quântico real obteve um bom desempenho apesar dos fatores de interferência e decoerência não serem desprezíveis. No entanto, os resultados para o passeio quântico de três qubits apresentaram muito ruído.