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.
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.
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.
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 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.
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.