[CA] Els qubits, les unitats bàsiques de la informació en la computació quàntica, no són sistemes aïllats sinó que interactuen amb el seu entorn. Aquesta interacció genera errors de decoherència i dissipació, que afecten el processament quàntic. La teoria dels sistemes quàntics oberts proporciona un marc matemàtic per estudiar aquestes interaccions i modelar diferents tipus de soroll. Emprarem l'equació mestra de Lindblad, resultat d'aquesta teoria, per a modelar la dissipació i la decoherència, i establir l'origen dels temps T_1 i T_2 que són dues mètriques que caracteritzen el temps màxim que un qubit pot realitzar operacions.
[CA] Els qubits, les unitats bàsiques de la informació en la computació quàntica, no són sistemes aïllats sinó que interactuen amb el seu entorn. Aquesta interacció genera errors de decoherència i dissipació, que afecten el processament quàntic. La teoria dels sistemes quàntics oberts proporciona un marc matemàtic per estudiar aquestes interaccions i modelar diferents tipus de soroll. Emprarem l'equació mestra de Lindblad, resultat d'aquesta teoria, per a modelar la dissipació i la decoherència, i establir l'origen dels temps T_1 i T_2 que són dues mètriques que caracteritzen el temps màxim que un qubit pot realitzar operacions.
Aquesta tesi estudia la verificació de sistemes quàntics en escenaris on l'accés a informació crucial és limitat. Mentre que en el control de qualitat clàssic els defectes poden, en principi, detectar-se de manera determinista, la naturalesa probabilística de la mecànica quàntica imposa limitacions inherents. Aquest fet planteja la pregunta: fins a quin punt és possible identificar de manera fiable defectes en estats i processos quàntics? Per respondre aquesta pregunta s'estudia la discriminació d'estats i canals quàntics en contextos universals, és a dir, quan no es coneix la forma específica de les hipòtesis. L'objectiu és establir rendiments de referència i dissenyar protocols òptims que continuïn sent vàlids sota condicions d'ignorància parcial. La manera d'abordar l'objectiu és mitjançant la combinació d'eines d'optimització convexa amb mètodes de teoria de representacions. La programació semidefinida ofereix el marc per formular els problemes de discriminació com a problemes d'optimització sobre operadors. Per la seva banda, la dualitat de Schur-Weyl i els esquemes d'associació permeten captar la simetria dels problemes estudiats, així com reduir de manera significativa la seva complexitat. Més enllà de la discriminació d'estats, l'isomorfisme de Choi-Jamiołkowski i el formalisme de xarxes quàntiques estenen aquestes tècniques a l'anàlisi de canals quàntics. La primera contribució se centra en el problema anomenat edge detection. Una seqüència de sistemes es divideix en dos dominis, cadascun preparat en un estat desconegut però diferent, i l'objectiu consisteix a identificar la frontera que els separa. Es presenta un protocol òptim per a aquest problema, juntament amb un càlcul eficient de la seva probabilitat d'èxit basat en la dualitat de Schur-Weyl i el formalisme de matrius de Gram. A més, s'explora un escenari mixt, en què els estats passen de ser coneguts a desconeguts, cosa que pot resultar útil per detectar defectes en processos de producció d'estats quàntics. La segona contribució introdueix la detecció quàntica d'anomalies múltiples, en què un conjunt de fonts ha de produir un estat de referència, encara que algunes poden fallar i generar estats anòmals. Es consideren dos casos. En el primer, tant l'estat de referència com els estats anòmals són coneguts; aquest problema es resol analíticament aprofitant l'estructura algebraica dels esquemes d'associació de Johnson, la qual cosa permet obtenir estratègies òptimes tant en el règim d'error mínim com en el d'identificació sense error (inequívoca). En el segon cas, ambdues classes d'estats són desconegudes, i es desenvolupa un protocol universal la optimalitat del qual s'estableix a través de la dualitat de Schur-Weyl. Finalment, la tercera contribució estén la detecció d'anomalies a l'àmbit dels canals quàntics. S'assumeix que els dispositius implementen una operació unitària donada, encara que un subconjunt d'aquests aplica en el seu lloc unitàries desconegudes. Es deriven protocols òptims sense error per identificar aquests dispositius defectuosos, emprant l'isomorfisme de Choi-Jamiołkowski i el formalisme de xarxes quàntiques. L'anàlisi mitjançant teoria de representació i la dualitat mixta de Schur-Weyl demostra que el rendiment òptim pot assolir-se amb estats d'entrada entrellaçats, sistemes auxiliars i estratègies paral·leles.
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.
Aquesta tesi està dividida asimètricament en dues parts: la primera desenvolupa una teoria per transport òptim quàntic, la segona estableix una regla de la cadena per l'entropia relativa quàntica. Aquests dos temes, aparentment independents, es connecten en aquesta tesi mitjançant la noció d'estats en el temps (''states over time''). Aquest concepte té l'objectiu de caracteritzar les propietats de l'evolució de sistemes quàntics, en contrast amb el concepte de ''estats en l'espai'', més familiar, que descriu les correlacions entre estats espacialment separats. Descriure correlacions quàntiques en el temps resulta ser considerablement més subtil i intricat, cosa que requereix noves estructures matemàtiques per capturar la composició i transformació d'aquests sistemes. En la primera part, dedicada a transport òptim quàntic (''quantum optimal transport''), busquem un anàleg quàntic a la teoria clàssica mitjançant la identificació la codificació adequada dels elements del problema---en particular, l'estat inicial (una matriu densitat) i els plans de transport admissibles (canals quàntics)---en un sol objecte matemàtic anomenat acoblament (''coupling''). Comencem amb una formulació ingènua, inspirada per la formulació clàssica, basada en l'ús d'estats quàntics conjunts com a acoblament. Desenvolupem aquest acoblament i identifiquem les seves peculiars (indesitjables) propietats per motivar la nostra cerca amb un enfocament diferent. En el nou enfocament, que constitueix el tema principal d'aquest treball, busquem un acoblament bilineal que permeti la composició natural de canals, per tal d'obtenir una noció consistent d'estat en el temps. Amb aquesta restricció, el producte de Jordan emergeix com a noció físicament motivada d'acoblament. Partint d'això, definim el cost òptim de transport quàntic com la minimització d'un funcional de cost sobre tots els canals admissibles que connecten els dos estats i estudiem les seves propietats físiques i matemàtiques. Parem especial atenció a costos invariants sota accions unitàries, cosa que permet simplificar i resoldre analíticament el problema per estats que commuten o amb altres estructures. Aquests exemples revelen profundes diferències estructurals entre les nocions clàssiques i quàntiques de transport òptim. En la segona part, dedicada a regles de la cadena per l'entropia relativa quàntica, revisitem una de les mesures de distingibilitat més fonamentals en teoria de la informació quàntica, que destaca per la seva significança operacional en tests d'hipòtesi. En teoria de probabilitat clàssica, l'entropia relativa compleix una regla de la cadena que descompon el canvi total en entropia relativa sota l'acció de dos processos estocàstics en una mitjana divergències de les distribucions puntuals sota l'acció dels processos. Tanmateix, en el cas quàntic només es coneixien versions asimptòtiques, regularitzades d'aquesta regla de la cadena. En aquesta obra, derivem dues regles de la cadena quàntiques basades en un sol sistema. La primera generalitza la noció clàssica de distribucions puntuals a un conjunt d'estats quàntics construïts per l'acció d'operadors de mesura sobre estats en el temps. La segona manté projectors ortonormals de rang u, però imposa una condició suficient que restringeix la generalitat de l'equació. Junts, aquests resultats mostren que és possible obtenir regles de la cadena significatives en el règim d'un sol sistema, però també ressalten els obstacles fonamentals a una generalització total i la necessitat per desigualtats més ajustades.
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.
[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 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).