O estudo de sistemas quânticos requer técnicas precisas de manipulação. Isso pode ser realizado com luz a partir da criação de potenciais ópticos, o que já é empregado em diversas áreas da física atômica. Porém, na maioria dos casos, o potencial possui uma geometria fixa. A criação de potenciais dinâmicos e arbitrários pode ser realizada de forma prática utilizando técnicas de modulação de fase da luz. Porém, uma rotina de correção seria necessária para evitar possíveis perturbações na intensidade modulada. Neste trabalho, nós apresentamos um algoritmo de correção para a técnica de contraste de fase de ordem zero utilizando um sistema de retroalimentação, com base em um resultado analítico obtido para essa técnica. Apesar da imagem ter melhorado significativamente, um entendimento melhor do controle de fase é necessário para se adotar métodos de correção iterativos.
O estudo de sistemas quânticos requer técnicas precisas de manipulação. Isso pode ser realizado com luz a partir da criação de potenciais ópticos, o que já é empregado em diversas áreas da física atômica. Porém, na maioria dos casos, o potencial possui uma geometria fixa. A criação de potenciais dinâmicos e arbitrários pode ser realizada de forma prática utilizando técnicas de modulação de fase da luz. Porém, uma rotina de correção seria necessária para evitar possíveis perturbações na intensidade modulada. Neste trabalho, nós apresentamos um algoritmo de correção para a técnica de contraste de fase de ordem zero utilizando um sistema de retroalimentação, com base em um resultado analítico obtido para essa técnica. Apesar da imagem ter melhorado significativamente, um entendimento melhor do controle de fase é necessário para se adotar métodos de correção iterativos.
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 reconstrucão de frentes de onda _e um problema que aparece em muitas áreas da física e da engenharia, e resulta em muitas aplicações importantes. Cristalografia de raios-x, microscopia eletrônica, caracterização temporal de lasers de femtosegundo, deconvolução cega de imagens degradadas e imageamento tomográfico são exemplos de áreas que, quando não envolvendo diretamente a reconstrução de uma frente de onda, se beneficiaram das técnicas desenvolvidas para resolver este problema. Em geral, os dispositivos de medição são capazes de obter as intensidades da frente de onda, mas não suas fases; as ferramentas num_ericas utilizadas para recuperá-las ficaram, portanto conhecidas como algoritmos de recuperação de fase. Neste trabalho, nós propusemos o uso desses algoritmos para reconstruir estados quânticos puros codificados em modos espaciais transversais de fótons { individuais os chamados qudits espaciais. Nós fizemos adaptações significativas aos algoritmos encontrados na literatura, de modo a adequá-los às características experimentais desse tipo de codificação. A mais eminente dessas adaptações foi magnificar as amplitudes no plano de Fourier, de forma a compensar o pequeno intervalo de frequências medidas. Isso resultou em uma grande melhora na qualidade dos resultados. Para demonstrar essa técnica, nós realizamos um experimento de prova de princípio com um feixe _óptico que mimetizava estados de qudits espaciais com dimensões D = 2; 3; 4; 7 e 9. Depois de compensados certos desvios experimentais, os estados recuperados apresentaram fidelidades frequentemente acima de 99% com relação ao estado que se desejava preparar, mostrando que os algoritmos de recuperação de fase podem ser uma boa ferramenta para a caracterização de estados quânticos.
O método de Adomian é usado na solução de equações diferenciais não lineares com resíduo, em áreas das engenharias. Nesse trabalho, usaremos o método para transformar a Equação de Schrödinger não linear em um sistema de equações lineares para, então, estudar a construção de um algoritmo quântico de Adomian. Como método, realizamos uma revisão bibliográfica do método de Adomian e utilizamos Matlab para aplicar o método, no caso de um sistema clássico. Já quanto a versão quântica do método, fizemos uma revisão bibliográfica de algoritmos quânticos e identificamos possibilidades de usos de algoritmos quânticos para equações diferenciais lineares que podem ser utilizados, após a aplicação do método de Adomian. Nesse particular, discutimos abordagens que poderão ser úteis em trabalhos futuros. Resultados os resíduos do método de Adomian são muito variáveis em ordem de grandeza, contudo, em certas condições, o método apresenta soluções muito próximas da solução real. A ideia de algoritmo quântico proposto neste trabalho precisa ser aprofundada em estudos futuros para ser testada de forma apropriada, dependendo do sistema que se queira trabalhar.
Tendo em vista experimentos envolvendo o estudo da dinâmica de gases quânticos aprisionados, visando a simulação quântica de sistemas complexos, este trabalho discute a implementação e o estudo da técnica de imagem dispersiva, por contraste de fase, e a compara com o método de imagem por absorção óptica. A implementação da nova técnica foi feita em um regime não convencional de dessintonia, explorando a região proxima da ressonância atômica, onde se deve levar em conta o efeito da absorção, além da mudança de fase, do campo elétrico do laser de prova, após interagir com os átomos. Portanto, este trabalho apresenta não só a implementação de uma nova técnica experimental, mas também um modelo simples para interpretar os dados obtidos nesse novo regime.
A capacidade de controlar e prever com precisão a evolução dos estados quânticos é um requisito fundamental para o avanço das tecnologias quânticas. Nesta dissertação, desenvolvemos protocolos ajustáveis de roteamento atômico baseados em um modelo integrável de bósons dipolares confinados em um potencial de quatro poços com configuração em estrela. Ao ajustar os parâmetros do sistema, identificamos um regime dinâmico harmônico da população atômica que pode ser tratado analiticamente, fornecendo uma descrição completa do comportamento do sistema para manipulação precisa. Demonstramos três modos independentes de controle sobre a dinâmica da população atômica sob a ação de um campo externo: ajuste de frequência através da variação da intensidade do campo, comutação direcional através do deslocamento espacial do campo e modulação de amplitude variando sua duração. Esses modos operam sob duas configurações distintas: uma fonte e dois drenos, e, em ordem inversa, duas fontes e um dreno. Esses casos emulam, respectivamente, um demultiplexador atômico 1:2 e um multiplexador 2:1. Nossos resultados podem contribuir para o desenvolvimento de mecanismos de controle no projeto de dispositivos quânticos.
Introdução: A computação quântica representa uma mudança fundamental em relação à computação clássica, ao utilizar princípios da mecânica quântica como superposição, emaranhamento e interferência. Desde as propostas iniciais de Feynman e Deutsch, a área tem avançado significativamente, embora ainda enfrente grandes desafios técnicos e conceituais para sua consolidação. Objetivo: analisar os principais desafios envolvidos no desenvolvimento da computação quântica e suas aplicações práticas potenciais, com destaque para os campos da criptografia, otimização, simulação de sistemas físicos e aprendizado de máquina. Metodologia: Consistiu-se na utilização de bases de dados eletrônicas mediante a realização de uma revisão integrativa da literatura e de um estudo descritivo com enfoque qualitativo. Tal processo foi conduzido a partir da seleção de artigos disponíveis na Scientific Electronic Library (SciELO), seguindo critérios de inclusão que priorizaram publicações dos últimos quatro anos, voltadas especificamente para estudos relacionados à computação quântica, com foco em avanços tecnológicos, gargalos técnicos e perspectivas futuras. Resultados e Discussão: Percebeu-se que a computação quântica tem avançado, mas ainda enfrenta desafios significativos. Na simulação de sistemas físicos e químicos, ela pode modelar moléculas complexas com grande precisão, beneficiando áreas como a farmacologia e a engenharia de materiais. Em otimização e logística, a computação quântica pode oferecer soluções mais rápidas para problemas de alocação e roteamento. Já na inteligência artificial, estudos sugerem que técnicas quânticas podem acelerar o processamento de dados e o treinamento de modelos, potencializando o desempenho de sistemas de aprendizado. Considerações: Apesar de ainda estar em estágio experimental, a computação quântica avança rapidamente e apresenta um enorme potencial disruptivo. No entanto, para que isso se concretize, será necessário superar desafios tecnológicos consideráveis por meio da colaboração entre universidades, empresas e governos.