Em Ciência da Computação, os caminhos aleatórios são utilizados em algoritmos randômicos, especialmente em algoritmos de busca, quando desejamos encontrar um estado marcado numa cadeia de Markov. Nesse tipo de algoritmo é interessante estudar o Tempo de Alcance, que está associado a sua complexidade computacional. Nesse contexto, descrevemos a teoria clássica de cadeias de Markov e caminhos aleatórios, assim como o seu análogo quântico. Dessa forma, definimos o Tempo de Alcance sob o escopo das cadeias de Markov quânticas. Além disso, expressões analíticas calculadas para o tempo de Alcance quântico e para a probabilidade de encontrarmos um elemento marcado num grafo completo são apresentadas como os novos resultados dessa dissertação.
Em Ciência da Computação, os caminhos aleatórios são utilizados em algoritmos randômicos, especialmente em algoritmos de busca, quando desejamos encontrar um estado marcado numa cadeia de Markov. Nesse tipo de algoritmo é interessante estudar o Tempo de Alcance, que está associado a sua complexidade computacional. Nesse contexto, descrevemos a teoria clássica de cadeias de Markov e caminhos aleatórios, assim como o seu análogo quântico. Dessa forma, definimos o Tempo de Alcance sob o escopo das cadeias de Markov quânticas. Além disso, expressões analíticas calculadas para o tempo de Alcance quântico e para a probabilidade de encontrarmos um elemento marcado num grafo completo são apresentadas como os novos resultados dessa dissertação.
As cadeias de Markov quânticas ou passeios quânticos tem desempenhado um papel importante no desenvolvimento de algoritmos quânticos eficientes. Dessa forma, estudar suas propriedades, analisar o seu comportamento em diferentes topologias, e ver o impacto da descoerência sob esses passeios e seus algoritmos e fundamental para o desenvolvimento da area. Nesse contexto, contribuímos com a analise das seguintes questões. Para o passeio quântico de Szegedy, estudamos analiticamente o seu comportamento no ciclo; descrevemos como calcular a distribuição limite apresentando exemplos para a malha bidimensional, grafo completo e ciclo; estudamos um modelo de descoerência inspirado em percolação, em que definimos o tempo de alcance quântico descoerente e estabelecemos um intervalo da intensidade de descoerência em que o tempo de alcance quântico descoerente e quadraticamente menor que o clássico; o algoritmo de detecção sob ação da descoerência continua com ganho quadrático para o mesmo intervalo. Para o passeio quântico com moeda, presentamos simulações do algoritmo para avaliar fórmulas booleanas, também considerando um modelo de oráculo defeituoso.
A Computação Quântica é um tópico relativamente recente e pouco conhecido, principalmente no meio da Computação.Seu estudo surgiu na tentativa de físicos simularem sistemas regidos pela Mecânica Quântica por computadores clássicos, o que se conjecturou inviável.Portanto, um novo modelo computacional que utiliza a estrutura quântica da matéria para computar foi teorizado para suprir estas deficiências.Este trabalho tem como objetivo principal estudar as influências da Computação Quântica na Teoria da Computação.Para atingir tal objetivo, primeiramente são expostos os conhecimentos básicos da Mecânica Quântica através de uma linguagem voltada para Teóricos de Computação sem conhecimento prévio na área, de forma a remover a barreira inicial sobre o tema.Em seguida, serão apresentadas inovações na área da Teoria de Computação oriundas da Computação Quântica.Começaremos com os principais Algoritmos Quânticos desenvolvidos até hoje, que foram os primeiros passos para demonstrar a possível superioridade computacional do novo modelo.Dentre estes algoritmos, apresentaremos o famoso Algoritmo de Shor, que fatora números em tempo polinomial.Adicionalmente, neste trabalho foram estudados tópicos mais avançados e atuais em Computabilidade e Complexidade Quânticas.Sobre Autômatos Quânticos, foram estudados aspectos de um modelo que mistura estados clássicos e quânticos, focando na comparação do poder computacional em relação aos Autômatos Finitos Clássicos.Do ponto de vista de Classes de Complexidade, será abordada a questão se em linguagens da classe QMA, o análogo quântico da classe NP, consegue-se atingir probabilidade de erro nulo na aceitação de instâncias positivas.
Caminhos aleatórios clássicos são essenciais para a Física, a Matemática, a Ciência da Computação e muitas outras áreas. Há uma grande expectativa que a sua versão quântica seja ainda mais poderosa, uma vez que o caminhante quântico se espalha quadraticamente mais rápido que o seu análogo clássico. Neste trabalho, estudamos o comportamento do caminhante quântico em uma e duas dimensões, além de generalizarmos o formalismo de ligações interrompidas para duas ou mais dimensões. Em uma dimensão, analisamos o comportamento do caminhante quântico, que além das duas possibilidades de deslocamento usuais, direita e esquerda, também permanece na posição atual. Em duas dimensões, apresentamos um estudo detalhado do comportamento do caminhante no plano e quando há descoerência gerada pela quebra aleatória das ligações para as posições vizinhas com uma certa probabilidade para cada uma das direções. Quando essa probabilidade de quebra é diferente nas duas direções encontramos um resultado não trivial que representa uma transição do caso 2-D descorente para o caso 1-D coerente. Também utilizamos o formalismo de ligações interrompidas para modelar o comportamento de um caminhante quântico que passa por uma e por duas fendas. Realizamos simulações com com as principais moedas e observamos conclusivamente os padrões de interferência e difração.
A computação quântica é um modelo computacional baseado nas leis da mecânica quântica, que pode ser utilizado para desenvolver algoritmos mais eficientes que seus correspondentes clássicos. O desenvolvimento de algoritmos quânticos eficientes, no entanto, é uma tarefa altamente desafiadora. Uma abordagem recente que vem se mostrando bem-sucedida é a utilização de caminhadas quânticas. Neste trabalho, estudamos a caminhada quântica no hipercubo, calculando analiticamente sua distribuição estacionária e analisando propriedades de seu mixing time, tanto na situação ideal como na situação com descoerência gerada por ligações interrompidas. Também estudamos a caminhada na malha bidimensional, calculando sua distribuição estacionária analiticamente e explorando a relação entre o mixing time e a complexidade do algoritmo de busca nesse grafo. Desenvolvemos uma ferramenta computacional para simulação numérica de caminhadas quânticas em malhas uni- e bidimensionais com diversas condições de contorno. Finalmente, estudamos alguns algoritmos de busca em grafos e analisamos numericamente o impacto que a descoerência exerce sobre seus desempenhos.
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.
O desenvolvimento de algoritmos quânticos não é uma tarefa trivial. Elementos como emaranhamento e paralelismo quântico, intrínsecos à computação quântica, dificultam esta tarefa. As caminhadas quânticas são ferramentas cruciais para o desenvolvimento de algoritmos, principalmente algoritmos de busca. Existem na literatura vários tipos de caminhadas: com lançamento de moeda, de Szegedy, utilizando tesselagem (agrupamento de vértices) e a caminhada a tempo contínuo. Para extrair dados estatísticos de uma determinada caminhada quântica, necessitamos fazer sua simulação. Neste trabalho, desenvolvemos o simulador Hiperwalk, um novo simulador de caminhadas quânticas, em grafos de uma e duas dimensões para as caminhadas com moeda e sem moeda utilizando tesselagem. O Hiperwalk permite ao usuário efetuar simulações de caminhadas quânticas em grafos utilizando processamento de alto desempenho, mesmo que o usuário não saiba programação paralela. O usuário pode empregar os dispositivos de paralelismo como CPU, GPGPU e co-processadores para acelerar o processo geral da caminhada.