É consenso que a distribuição de circuitos quânticos entre agentes de processamento é uma abordagem viável para se obter maior escalabilidade com as tecnologias de hardware atuais, de dispositivos ruidosos de escala intermediária. Assim, novas arquitetura de computadores quânticos com múltiplas unidades de processamento devem considerar etapas adicionais de particionamento de circuitos, com a geração de subcircuitos com menores custos de comunicação entre partições. Este artigo apresenta uma arquitetura modular de computador quântico multi-QPU, assim como resultados com o particionamento hipergráfico de circuitos, como uma camada permanente em futuras arquiteturas de sistemas quânticos distribuídos.
É consenso que a distribuição de circuitos quânticos entre agentes de processamento é uma abordagem viável para se obter maior escalabilidade com as tecnologias de hardware atuais, de dispositivos ruidosos de escala intermediária. Assim, novas arquitetura de computadores quânticos com múltiplas unidades de processamento devem considerar etapas adicionais de particionamento de circuitos, com a geração de subcircuitos com menores custos de comunicação entre partições. Este artigo apresenta uma arquitetura modular de computador quântico multi-QPU, assim como resultados com o particionamento hipergráfico de circuitos, como uma camada permanente em futuras arquiteturas de sistemas quânticos distribuídos.
RESUMO.É consenso que a distribuição de circuitos quânticos entre agentes de processamento é uma abordagem viável para se obter maior escalabilidade com as tecnologias de hardware atuais, de dispositivos ruidosos de escala intermediária.Assim, novas arquitetura de computadores quânticos com múltiplas unidades de processamento devem considerar etapas adicionais de particionamento de circuitos, com a geração de subcircuitos com menores custos de comunicação entre partições.Este artigo apresenta uma arquitetura modular de computador quântico multi-QPU, assim como resultados com o particionamento hipergráfico de circuitos, como uma camada permanente em futuras arquiteturas de sistemas quânticos distribuídos.
As limitações físicas e de engenharia dos dispositivos quânticos atuais impulsionam o desenvolvimento de arquiteturas modulares e redes quânticas para viabilizar computadores quânticos em grande escala. Este artigo tem o objetivo de apresentar uma revisão bibliográfica sobre arquiteturas modulares em computação quântica. No estudo se busca-se apresentar e discutir as principais plataformas de hardware - incluindo qubits supercondutores, íons aprisionados, átomos neutros e qubits fotônicos - e analisando como módulos quânticos podem ser interconectados os métodos de entrelaçamento distribuído, repetidores quânticos e teleporte de portas lógicas, bem como modelos de custo e latência para operações quânticas distribuídas. Aspectos de escalabilidade e desafios práticos de implementação física são examinados à luz de propostas e estudos de caso de arquiteturas modulares reais, como as abordagens da IonQ e Honeywell (Quantinuum) com íons aprisionados e da Xanadu com fotônica. Por fim, comparamos as abordagens de diferentes plataformas e discutimos caminhos para superar obstáculos técnicos rumo a computadores quânticos modularmente escaláveis e tolerantes a falhas.
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.
Nesta Tese, abordamos a escalabilidade de algoritmos para múltiplas Unidades de Processamento Quântico (QPUs), essencial para superar as limitações dos atuais dispositivos quânticos ruidosos de escala intermediária (NISQ). O foco está na redução do custo de comunicação entre QPUs, promovendo maior eficiência no particionamento e distribuição de circuitos em sistemas multi-QPU. Para circuitos estáticos, propomos estratégias baseadas em representações hipergráficas, utilizando heurísticas de particionamento ponderado que segmentam os circuitos em subcircuitos menores, reduzindo operações inter-QPU e acelerando o processo de corte. Essa abordagem contempla cenários balanceados e não-balanceados, diminuindo o custo de comunicação em circuitos complexos. Também aplicamos essa heurística em versões reduzidas das representações hipergráficas, obtendo cortes mais eficientes em circuitos maiores, superando métodos bipartidos convencionais. Para circuitos adaptativos, cuja sequência de operações depende de medições intermediárias, introduzimos um modelo de segmentação assistida, capaz de lidar com essa dinâmica em tempo real, um desafio inexistente em circuitos estáticos. Além disso, apresentamos uma arquitetura de gerenciamento de recursos quânticos que coordena o particionamento de circuitos estáticos e adaptativos, garantindo a escalabilidade prática de sistemas multi-QPU. Os resultados demonstram significativa redução no custo de comunicação e melhorias no desempenho do particionamento, contribuindo para soluções distribuídas mais eficientes e apoiando a construção de software quântico na era dos dispositivos ruidosos, em ambientes de computação quântica distribuída.
A teoria dos algoritmos quânticos promete benefícios sem precedentes ao utilizar as leis da mecânica quântica para resolver certos problemas computacionais. Entretanto, alguns desafios impedem que tais vantagens se apliquem a todos os algoritmos quânticos. Entre esses desafios está o desenvolvimento de uma codificação eficiente de dados clássicos em um estado quântico. Em aplicações práticas, o custo para carregar a informação clássica em um dispositivo quân- tico pode dominar o custo computacional assintótico do algoritmo. Foram propostos diversos métodos baseados em circuitos para codificar dados clássicos nas amplitudes de probabilidade de um estado quântico. Entretanto, esses métodos produzem circuitos com complexidade que cresce linearmente com o tamanho do dado, anulando o benefício da aplicação quântica. O objetivo principal deste trabalho é reduzir a complexidade computacional dos circuitos para a inicialização de estados quânticos. As duas estratégias utilizadas para alcançar tal objetivo exploram a troca de complexidade temporal por espacial ou a transferência de complexidade computacional para um computador clássico. A primeira estratégia reinterpreta métodos al- gébricos para a decomposição de estados quânticos como caminhadas ao longo de árvores binárias. A segunda investiga o grau de emaranhamento de bipartições do estado quântico através da decomposição de Schmidt. Os métodos baseados em árvore alcançam uma redução exponencial na profundidade dos circuitos, em comparação às abordagens existentes. Os base- ados na decomposição de Schmidt produzem circuitos de complexidade variável, proporcional ao emaranhamento do estado. A perspectiva é que o resultado desta tese auxilie os profissionais da computação quântica durante a era dos dispositivos ruidosos de escala intermediária.