Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema experimental baseado em centros de nitrogênio-vacância (NV) em diamante, focado na implementação de portas lógicas quânticas a partir da integração com o Qiskit. A pesquisa fundamentou-se em três eixos principais: a reestruturação do controle experimental, o mapeamento de circuitos para pulsos físicos e a caracterização das propriedades de spin da amostra. A primeira etapa consistiu na otimização dos códigos de controle através de um pipeline de processamento em memória, que substituiu o modelo de aquisição passiva e eliminou gargalos de escrita em disco, reduzindo o tempo de preparação do sistema. Em seguida, desenvolveu-se um backend experimental integrado ao Qiskit BackendV2, capaz de traduzir circuitos abstratos em instruções binárias TTL sincronizadas para o controle de laser, micro-ondas e detecção óptica. A validação da infraestrutura foi realizada por meio de caracterização experimental, incluindo protocolos de ODMR, oscilações de Rabi e a determinação dos tempos de relaxação longitudinal (T1) e coerência transversal (T*2 e T2). Os resultados demonstram a execução funcional de portas de um qubit (X, H e Rx(θ)), estabelecendo uma plataforma que conecta a teoria da informação quântica à execução experimental e ao controle de centros NV.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema experimental baseado em centros de nitrogênio-vacância (NV) em diamante, focado na implementação de portas lógicas quânticas a partir da integração com o Qiskit. A pesquisa fundamentou-se em três eixos principais: a reestruturação do controle experimental, o mapeamento de circuitos para pulsos físicos e a caracterização das propriedades de spin da amostra. A primeira etapa consistiu na otimização dos códigos de controle através de um pipeline de processamento em memória, que substituiu o modelo de aquisição passiva e eliminou gargalos de escrita em disco, reduzindo o tempo de preparação do sistema. Em seguida, desenvolveu-se um backend experimental integrado ao Qiskit BackendV2, capaz de traduzir circuitos abstratos em instruções binárias TTL sincronizadas para o controle de laser, micro-ondas e detecção óptica. A validação da infraestrutura foi realizada por meio de caracterização experimental, incluindo protocolos de ODMR, oscilações de Rabi e a determinação dos tempos de relaxação longitudinal (T1) e coerência transversal (T*2 e T2). Os resultados demonstram a execução funcional de portas de um qubit (X, H e Rx(θ)), estabelecendo uma plataforma que conecta a teoria da informação quântica à execução experimental e ao controle de centros NV.
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.
Resumo: Este artigo trata da utilização da plataforma de processadores quânticos, conhecida na literatura como IBM Q Experience, como um recurso pedagógico para a disciplina de computação quântica.Por meio da utilização do Qiskit, um pacote de desenvolvimento fornecido gratuitamente pela empresa IBM, que fornece a ligação entre o usuário e o processador.Os circuitos quânticos devem ser rodados nesses processadores quânticos, como também, a possibilidade de simulação de projetos de circuitos localmente.Nos concentramos na caracterização do Qiskit referente a vários aspectos práticos dos códigos.Para esse fim, catalogamos as portas lógicas quânticas em duas tabelas demonstrando que o Qiskit pode ser útil como um recurso didático para os cursos de computação quântica.Destacamos também que o Qiskit possui mecanismos básicos para o processamento da informação, consequentemente, a criação de circuitos e portas quânticas com medidas nas bases computacionais tornam-se mais fácil.Um exemplo de um circuito quântico foi adotado para a demonstração dos conceitos, simulação do circuito e visualização gráfica dos resultados via Qiskit.Concluímos que o framework Qiskit é um recurso pedagógico importante para explorar vários conceitos da computação quântica, tais como: portas lógicas, circuitos e medidas quânticas.Na visualização gráfica, o Qiskit pode auxiliar na discussão dos resultados obtidos de circuitos simples e complexos, voltados para o ensino e pesquisa da computação quântica.
Na presente tese estudamos o processamento de informacao quântica no sistema de atomos e cavidades acopladas. Em particular, a comunicacao quântica estabelecida entre atomos remotos e a implementacao de portas logicas no sistema de cavidades acopladas. Iniciamos apresentando o sistema de cavidades acopladas, o Hamiltoniano que governa sua evolucao, algumas promissoras implementacoes experimentais e a transferencia de um estado de campo arbitrario de um foton ao longo da cadeia. Incluindo um sistema massivo, propomos um novo protocolo para uma transferencia perfeita, deterministica e flexivel de estados quânticos entre atomos remotos interagindo sucessivamente com o sistema de cavidades acopladas (atuando como quantum bus). Mesmo levando em conta efeitos dissipativos e erros de procedimento obtivemos uma alta fidelidade maxima de transmissao. Por fim, apresentamos uma proposta alternativa para a implementacao de um porta R(rotacao)- controlada de dois qubits. A proposta esta baseada em operacoes de um qubit e fase geometrica nao-convencional em atomos de tres niveis identicos fortemente bombeados por um campo classico ressonante em cavidades opticas distantes conectadas por uma fibra optica. Nossa proposta resulta em um tempo operacional constante e, com um acoplamento qubit-bus ajustavel (atomoressonador), pode-se especificar uma rotacao R particular no qubit alvo
Abstract
Este trabalho consiste na análise de um método de reconstrução/tomografia de estado quântico em ressonância magnética nuclear utilizando pulsos de radiofreqüência não-seletivos, que possuem a propriedade de promover rotações globais do sistema de spins 7/2. Tal método foi aplicado para reconstruir estados relacionados à computação quântica. As operações lógicas e os estados iniciais envolvidos nas operações quânticas foram construídos através de pulsos modulados optimizados numericamente; o processo de optimização, em particular, não foi tratado nesse trabalho. Foram elaborados programas que simulam: a construção dos estados e portas lógicas utilizando os parâmetros dos pulsos modulados; a aplicação dos pulsos de tomografia e a geração dos dados necessários à reconstrução (amplitudes espectrais); construção de estados utilizando pulsos simples para testes das circunstâncias experimentais; o efeitos de possíveis problemas relacionados à amostra ou ao equipamento. Finalmente, foi elaborado um programa para reconstrução do estado a partir da leitura das amplitudes espectrais, que podem ser obtidas a partir dos programas relacionados no segundo item, ou experimentalmente. As implementações experimentais foram realizadas medindo sinais de RMN de núcleos de 133Cs, localizados em um cristal líquido, que, por possuírem spin 7/2, devido às interações Zeeman e quadrupolar elétrica, apresentam sete linhas espectrais distintas para transições entre níveis energéticos adjacentes; logo, é possível tratar esses núcleos como sistemas de 3 q-bits. Foram construídos estados pseudo-puros e aplicada uma das portas Toffoli. Além disso, uma discussão do algoritmo quântico de busca de Grover no contexto da Ressonância Magnética Nuclear é apresentada para uma futura implementação.
Este trabalho apresenta a modelagem e simulação computacional de um sensor quântico de rotação baseado em centros de vacância de nitrogênio (NV) em diamante. Utilizando o framework QuTiP (Quantum Toolbox in Python), foi implementado um sistema de spins eletrônico e nuclear (14N, I = 1) acoplados, submetido a um protocolo de interferometria de Ramsey. A dinâmica do sistema foi descrita por um Hamiltoniano que incorpora interações de desdobramento em campo zero, termos Zeeman e acoplamento hiperfino. A ação da rotação foi modelada através da inclusão de um termo de acoplamento spin-rotação (Mashhoon) durante o tempo de evolução livre. As simulações demonstram que as rotações mudam o estado quântico do sistema (fase) resultando em variações mensuráveis nas populações dos estados de spin nuclear, validando o protocolo de controle e a viabilidade do modelo como ferramenta preditiva para o desenvolvimento de detectores quânticos de rotação.
Nesta dissertação estudamos, no âmbito teórico, algumas propostas recentes de processamento de informação quântica passiva, isto é, descartando protocolos de correção de erros. Recorrendo à criação de subespaços livres de decoerência através de um sistema físico de quatro spins acoplados ao resto do universo por um agente degenerado, mostramos ser possível construir um conjunto universal de portas lógicas (C-NOT, T e Hadamard) neste mesmo subespaço, alcançando, por conseguinte, a realização de qualquer operação computacional, insensivelmente ao resto do universo. Partimos de um hamiltoniano geral com interações individuais de cada spin com campos externos, além de acoplamentos controlados entre pares de spins. Experimentalmente, hamiltonianos deste tipo são comuns no contexto de junções Josephson, motivo pelo qual tratamos esta implementação em um capítulo especial. Introduzindo perturbativamente ao hamiltoniano operadores espúrios ao subespaço livre de decoerência, incluímos sensibilidade do sistema frente ao ambiente, criando a possibilidade da incursão de erros através de mecanismos de dissipação. Tais mecanismos foram investigados em termos da intensidade do parâmetro de acoplamento entre o sistema e o ambiente, revelando uma clara evidência teórica do Efeito Zenão Quântico, através da excelente concordância entre resultados de operações realizadas em subespaços livres de decoerência e operações realizadas em sistemas fortemente acoplados ao resto do universo. Neste sentido, selecionamos a fidelidade como medida de distância entre um estado em evolução a partir de um certo estado inicial do subespaço livre de decoerência (e submetido a dissipação), e um estado em evolução regida pela mesma operação quântica e a partir das mesmas condições iniciais no caso ideal, livre de decoerência. Essa abordagem explícita permitiu-nos obter a razão necessária entre os parâmetros associados a perturbação (que remove o estado do subespaço original) e acoplamento (entendido como a freqüência entre as medidas promovidas pelo resto do universo), para alcançar a eficiência desejada na realização de uma certa porta lógica. Tecnicamente, o trabalho envolveu vários resultados matemáticos novos e operacionalmente úteis, levando a simplificações importantes durante os cálculos envolvidos.