La computació quàntica ha evolucionat ràpidament en els darrers anys, fet que ha augmentat la necessitat de mètodes fiables per avaluar els sistemes quàntics emergents. Un dels principals reptes és la disponibilitat limitada de circuits quàntics per a fer benchmarking, ja que la majoria dels circuits existents cobreixen només un rang reduït de configuracions. Tot i que els circuits generats aleatòriament ajuden a ampliar aquest conjunt, sovint manquen d'una estructura significativa i no reflecteixen patrons realistes. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'un generador de circuits quàntics capaç de produir circuits sintètics a partir d'un graf d'interaccions, d'una distribució de portes per secció i d'una profunditat arbitraris. Per avaluar el rendiment del generador, ens centrem a clonar circuits existents mitjançant un model que es pot generalitzar a estructures arbitràries. Mitjançant experimentació, demostrem que els circuits generats presenten una alta similitud de les propietats avaluades amb les seves versions originals. Els nostres experiments inclouen la clonació de versions de 100 qubits dels algoritmes Quantum Fourier Transform (QFT), Quantum Phase Estimation (QPE), Amplitude Estimation (AE) i Deutsch-Jozsa (DJ).
La computació quàntica ha evolucionat ràpidament en els darrers anys, fet que ha augmentat la necessitat de mètodes fiables per avaluar els sistemes quàntics emergents. Un dels principals reptes és la disponibilitat limitada de circuits quàntics per a fer benchmarking, ja que la majoria dels circuits existents cobreixen només un rang reduït de configuracions. Tot i que els circuits generats aleatòriament ajuden a ampliar aquest conjunt, sovint manquen d'una estructura significativa i no reflecteixen patrons realistes. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'un generador de circuits quàntics capaç de produir circuits sintètics a partir d'un graf d'interaccions, d'una distribució de portes per secció i d'una profunditat arbitraris. Per avaluar el rendiment del generador, ens centrem a clonar circuits existents mitjançant un model que es pot generalitzar a estructures arbitràries. Mitjançant experimentació, demostrem que els circuits generats presenten una alta similitud de les propietats avaluades amb les seves versions originals. Els nostres experiments inclouen la clonació de versions de 100 qubits dels algoritmes Quantum Fourier Transform (QFT), Quantum Phase Estimation (QPE), Amplitude Estimation (AE) i Deutsch-Jozsa (DJ).
[CA] Aquest Treball de Fi de Màster proposa una optimització de les tècniques actuals de mitigació d’errors aplicades a algoritmes quàntics en l’era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum). Per assolir-ho, la recerca comença amb una revisió exhaustiva de l’estat de l’art en la mitigació del soroll quàntic, seguida del desenvolupament d’un marc de simulació robust utilitzant la llibreria Qiskit de Python. La metodologia se centra en simular l’evolució temporal de sistemes quàntics interactuants. Per a cada model físic avaluat (com el model d’Ising en camp transversal), es formula el seu Hamiltoni corresponent i s’implementa una discretització temporal eficient mitjançant l’expansió de Suzuki-Trotter, donant lloc a dissenys de circuits adaptats al maquinari. Sobre aquests circuits base, s’aplica el protocol de Randomized Compiling (RC). L’objectiu principal d’aquest pas és suprimir errors coherents sistemàtics mitjançant tècniques de Pauli twirling, transformant-los en soroll estocàstic previsible. Com a contribució original principal, aquest estudi va més enllà dels enfocaments estàndard de RC realitzant una exploració exhaustiva de l’espai de configuracions de les seqüències de portes aleatòries. L’objectiu és identificar configuracions òptimes de compilació que minimitzin la propagació d’errors i maximitzin la fidelitat de l’estat quàntic en comparació amb la solució analítica ideal. Finalment, els resultats s’avaluen i es comparen, demostrant empíricament que aquest mètode optimitzat supera el Randomized Compiling tradicional.
La Metrologia es el camp d’investigacio sobre les eines estadistiques i el disseny tecnologic dels aparells de mesura necessaris per inferir informacio precisa sobre parametres fisics. En un sistema fisic el soroll es inherent en ultima instancia amb el de les seves parts, i per tant en un nivell microscopic esta governat per les lleis de la fisica quantica. Les mesures quantiques son intrinsecament sorolloses i per tant limiten la precisio amb la qual es pot obtenir en qualsevol escenari de metrologia. El camp de la metrologia quantica esta dedicat a l’estudi d’aquests limits i al desenvolupament de noves eines per ajudar a superar-los, sovint fent us de les caracteristiques exclusivament quantiques com la superposicio o l'entrellacament.En el proces de disseny d’un protocol d’estimacio es necessari utilitzar una figura de merit per optimitzar el rendiment d’aquests protocols. Fins ara la majoria de plantejaments de metrologia quantica i els limits que en deriven han estat deterministes, es a dir, que estan optimitzats per tal de proporcionar una estimacio valida per a cadascun dels possibles resultats de la mesura i minimitzar-ne l’error promig entre el valor estimat i el real del parametre. Aquesta avaluacio dels protocols mitjancant el seu error promig es molt natural i convenient, pero pot haver-hi algunes situacions en que aixo no sigui suficient per a expressar l’us concret que se li donara al valor obtingut.Un punt central d’aquesta tesi es observar que resultats concrets d’una mesura poden proporcionar una estimacio amb una millor precisio que la mitjana. Perque aixo succeeixi hi ha d’haver altres resultats imprecisos que compensin la mitjana perque aquesta no violi els limits deterministes. En aquesta tesi hem escollit una figura de merit que re?ecteix la maxima precisio que es pot obtenir. Optimitzem la precisio d’un subconjunt de resultats senyalats, i quantifiquem la probabilitat d’obtenir-ne algun d’ells, o en altres paraules, la probabilitat que el protocol proporcioni una estimacio. Aixo pot ser entes com proposar una opcio addicional que esta sempre disponible per la mesura, a saber, la possibilitat de post-seleccionar els resultats i donar amb nomes certa probabilitat una resposta concloent. Aquests protocols probabilistics garanteixen una precisio minima pels resultats senyalats. En la mecanica quantica hi ha moltes maneres de poder llegir les dades d’un sistema quantic. Per tant, l’optimitzacio dels esquemes probabilistics no es pot reduir a la reinterpretacio de resultats a partir dels esquemes (determinsitic) de metrologia quantica canoniques, sino que implica la recerca de mesures quantiques completament diferents. Concretament, hem dissenyat protocols probabilistics per a l’estimacio de fases, direccions i de sistemes de referencia. Hem vist que la post-seleccio te dos efectes possibles: compensar una mala eleccio de l’estat inicial o contrarestar els efectes negatius del soroll presents en l’estat del sistema o en el proces de mesurament. En particular, trobem que afegir la possibilitat d’abstencio en l’estimacio de fases en presencia de soroll pot produir una millora en la precisio que supera la cota trobada per protocols deterministes. Trobem una cota que correspon a la millor precisio que es pot obtenir.
Aquest treball s'emmarca en el camp de l'estudi i simulació del comportament de sistemes quàntics complexos, les propietats dels quals vénen dictades per les lleis de la física quàntica. Aquestes juguen un paper fonamental en una varietat de sistemes físics, des de matèria condensada, sistemes superfluids i superconductors, líquids quàntics com l'He a molt baixa temperatura o trampes d'àtoms freds formant condensats de Bose - Einstein. En l'estudi de tots aquests sistemes han adquirit un paper de gran rellevància les tècniques de Quantum Monte Carlo, que es basen en la simulació directa de les partícules que componen el sistema, que es regeixen universalment per l'equació de Schrödinger, que descriu exactament, excepte per efectes relativistes, el comportament quàntic de la matèria. En aquest projecte ens dedicarem a crear una eina que apliqui mètodes estocàstics actuals, i permeti comparar-los amb la nostra implementació d'un mètode molt recent que aconsegueix extreure informació molt precisa del sistema basant-se en postulats de la mecànica quàntica.
Un dels sitemes més simples per estudiar la interacció llum-matèria en circuits superconductors quàntics consisteix en un qubit superconductor acoblat a un ressonador. En general, per aplicacions de computació quàntica o altres aplicacions relacionades amb qubits, l'acoblament entre el qubit i el ressonador es dissenya amb valors molt per sota de les freqüències naturals individuals del sistema, permetent així aproximacions que resulten en un marc matemàtic relativament simple. A mesura que l'acoblament augmenta, les aproximacions comencen a fallar i el sistema entra el que es coneix com a règim d'acoblament ultrafort (USC de les sigles en anglès), on la física del sistema encara es troba en gran part inexplorada. En aquesta tesi proposem materials superinductors com a un nou enfoc per acoblar un qubit de flux de manera ultraforta a un ressonador. Generalment, aconseguir acoblaments en el rang d'USC ha comportat dissenys que perjudicaven la coherència dels qubits. Per eludir complicacions, introduïm aquest nou enfoc amb superinductors. L'elevada inductància cinètica associada a aquests materials permet dissenyar grans inductàncies compartides a la vegada que es mantenen dimensions del qubit relativament petites i corrents persistents baixes. Així mateix, presentem un disseny que consisteix en un qubit de flux de 3 unions Josephson amb derivació capacitiva acoblat galvànicament a un ressonador mitjançant un fil d'Alumini granular (grAl). Derivem els Hamiltonians necessaris així com els mètodes numèrics per analitzar de manera teòrica l'espectre i obtenir una estimació del coeficient d'acoblament del sistema. D'altra banda, proporcionem els detalls de la recepta de fabricació de qubits consistent en múltiples passos que permeten assegurar que el xip final es trobi en el règim d'USC. Mostrem també les mesures de l'espectre d'un sistema qubit de flux ressonador amb corrent persistent baixa i una inductància compartida elevada. Observem elements característics del règim USC, com ara l'efecte dels termes contra-rotants que s'evidencia com a un desplaçament de Bloch-Siegert de 23 MHz. El coeficient d'acoblament és prou gran per entrar al rang pertorbatiu del règim USC amb un valor g/\omega_r ~ 0.13. El circuit mesurat serveix com a prova de concepte per demostrar la possibilitat d'arribar a acoblaments ultraforts qubit-ressonador amb corrents persistents baixes i obre la possibilitat de realitzar estudis coherents al règim d'USC. L'ús de superinductors per estudiar el règim USC també motiva la cerca de nous materials amb propietats superiors a les del grAl. Així mateix, presentem el desenvolupament d'un nou material superconductor basat en nitridació d'Alumini i que es pot obtenir mitjançant la deposició per pulverització catòdica d'Alumini en differents fraccions de flux de N2 /Ar. En aquesta tesi, anlitzem les principals propietats superconductores de capes fines de $\SI{100}{\nano\meter}$ d'Alumini nitridat (NitrAl). Mostrem mesures de l'increment de temperatures crítiques que arriben al valor màxim de Tc = (3.38 +- 0.01) K i resil·liències a camps magnètics en el pla per sobre d'1 T. De la mateixa manera que en grAl, observem una distribució en foma de cúpula de la temperatura crítica en funció de la resistivitat a tempertura ambient. Addicionalment, estimem la inductància cinètica que va des d'1 pH/sq per les mostres menys resistives, fins a 400 pH/sq per aquelles capes més resistives. Finalment, presentem els primers passos en la caracterització de les pèrdues del NitrAl i la implementació del material com a superconductor i superinductor en tecnologies de circuits quàntics.
La simulació clàssica de circuits quàntics esdevé cada cop més costosa a mesura que augmenta el nombre de qubits, a causa del creixement exponencial de l'espai d'estats. Les tècniques de circuit cutting permeten afrontar aquest repte fragmentant un circuit gran en subcircuits més petits, que poden simular-se de manera independent i combinar-se posteriorment mitjançant processament clàssic. Aquest projecte se centra en el mètode de wire cutting i en la reducció del seu cost computacional mitjançant l'explotació de redundàncies algebraiques en el procés de reconstrucció basat en operadors de Pauli. Es consideren dues optimitzacions, corresponents als casos d'un i dos talls, que redueixen el nombre de subcircuits necessaris sense comprometre la correcció dels observables reconstruïts. Les metodologies proposades s'implementen dins la llibreria Qdislib i s'avaluen mitjançant experiments numèrics controlats. Els resultats mostren una millora clara en el temps d'execució respecte al wire cutting estàndard, fins i tot quan les versions optimitzades s'executen de manera seqüencial. Aquest treball demostra el potencial de les optimitzacions algorítmiques en circuit cutting i estableix una base per a futurs estudis en escenaris més complexos.
Aquesta tesi explora la intersecció entre la computació quàntica, els enfocaments inspirats en la quàntica i l'aprenentatge automàtic (AA), amb un enfocament especial en aplicacions a la física d'altes energies (FAE). A mesura que l'AA s'integra en els fluxos de treball científics, s'investiguen tant els mètodes quàntics com els inspirats en la quàntica pel seu potencial per abordar tasques complexes basades en dades. Tanmateix, hi ha una bretxa significativa entre els avenços teòrics i el seu desplegament pràctic en dominis on les dades són d'alta dimensionalitat i estructurades, com ara la FAE, especialment sota les restriccions d'implementació presents al Gran Col·lisionador d'Hadrons (GCH) del CERN. Impulsada per tasques rellevants en aplicacions de física al GCH, aquesta tesi presenta diverses contribucions en tasques de detecció i classificació d'anomalies, particularment en el context de l'anàlisi de subestructures de jets. L'exploració d'enfocaments híbrids quàntic-clàssics demostra la utilitat pràctica dels components quàntics integrats en canalitzacions clàssiques. Tanmateix, les limitacions actuals del maquinari quàntic han motivat la investigació de l'ús pràctic de les Xarxes Tensorials (XT), que modelen estructures de tipus quàntic alhora que s'executen en maquinari clàssic, fet que les fa especialment adequades per a aplicacions al GCH. Un esforç central d'aquesta tesi és el desenvolupament de la biblioteca de codi obert tn4ml, dissenyada per a l'entrenament, la personalització i l'avaluació comparativa de models basats en XT dins de canalitzacions d'aprenentatge automàtic. Aquesta biblioteca dóna suport al desenvolupament d'aplicacions físiques reals, com ara un model probabilístic basat en XT que utilitza estats de producte matricial per detectar anomalies a l'espai latent d'esdeveniments del GCH, i un model de classificació XT per a l'etiquetatge de jets amb un possible desplegament al sistema de disparador en temps real del GCH. A més, s'estudia un mètode híbrid quàntic-clàssic per a la detecció d'anomalies en esdeveniments de col·lisió protó-protó. Aquestes aplicacions s'han desenvolupat i avaluat mitjançant una anàlisi sistemàtica del rendiment, incloent-hi mètriques específiques del problema, com ara el temps d'execució i la complexitat del model. Els resultats obtinguts suggereixen que els models híbrids i basats en XT poden oferir solucions competitives i escalables en entorns d'aprenentatge automàtic aplicats i específics de la FAE. Des d'una perspectiva més àmplia, aquest treball contribueix a reduir la bretxa entre els mètodes quàntics teòrics i els d'inspiració quàntica i la seva implementació pràctica, mostrant models específics de domini, proporcionant eines per a la seva adaptació en fluxos de treball d'aprenentatge automàtic i avaluant-ne la utilitat en escenaris realistes.