Este trabajo estudia la simulación cuántica digital de modelos fundamentales de la óptica cuántica, en particular los modelos de Jaynes–Cummings y de Rabi cuántico, desde una perspectiva teórico–computacional, con el objetivo de desarrollar esquemas de codificación en registros de qubits de tamaño arbitrario y analizar cómo el número de qubits y la estructura de los circuitos cuánticos condicionan la representación del sistema y su dinámica. Para ello, se aborda la discretización del espacio de Hilbert bosónico y la codificación de los operadores de creación y aniquilación en Hamiltonianos de interacción radiación–materia, considerando un escenario idealizado sin efectos de ruido. Las simulaciones numéricas clásicas realizadas con QuTiP se emplean como referencia, mientras que PennyLane se utiliza para la construcción y simulación de circuitos cuánticos. Se analizan distintos estados iniciales del campo y se evalúa de manera sistemática la dependencia del error de simulación y del costo computacional con el número de qubits y la profundidad de los circuitos.
Este trabajo estudia la simulación cuántica digital de modelos fundamentales de la óptica cuántica, en particular los modelos de Jaynes–Cummings y de Rabi cuántico, desde una perspectiva teórico–computacional, con el objetivo de desarrollar esquemas de codificación en registros de qubits de tamaño arbitrario y analizar cómo el número de qubits y la estructura de los circuitos cuánticos condicionan la representación del sistema y su dinámica. Para ello, se aborda la discretización del espacio de Hilbert bosónico y la codificación de los operadores de creación y aniquilación en Hamiltonianos de interacción radiación–materia, considerando un escenario idealizado sin efectos de ruido. Las simulaciones numéricas clásicas realizadas con QuTiP se emplean como referencia, mientras que PennyLane se utiliza para la construcción y simulación de circuitos cuánticos. Se analizan distintos estados iniciales del campo y se evalúa de manera sistemática la dependencia del error de simulación y del costo computacional con el número de qubits y la profundidad de los circuitos.
La computación cuántica es un paradigma de computación basado en las propiedades de la mecánica cuántica. Su unidad básica de información es el qubit, que permite estar en una superposición de múltiples estados. Esta propiedad, entre otras, permite la representación y manipulación de información de maneras que presentan potenciales ventajas respecto de otros tipos de computación. Sin embargo los ordenadores cuánticos actuales están limitados por la cantidad de ruido que sufren sus qubits. Los algoritmos cuánticos variacionales son una familia de arquitecturas de algoritmos cuánticos que surgen como una oportunidad en esta situación ya que debido a sus propiedades son capaces de alcanzar buenos resultados a pesar del ruido. La efectividad de esta aproximación depende de diversos factores como la tarea a resolver, el circuito cuántico utilizado, la optimización clásica, etc. que deben ser adaptados en cada situación. El objetivo de este proyecto es comprender y estudiar esta familia de arquitecturas desde sus fundamentos teóricos, y posteriormente realizar simulaciones que pongan en práctica estos conceptos. Para ello en la primera sección se definen los principios teóricos de la computación cuántica, para luego definir la arquitectura común entre los algoritmos variacionales y finalmente concretar en tres implementaciones relevantes, que después de exponerse serán implementadas con herramientas software de simulación de computación cuántica.
Este trabajo implementa la simulación cuántica del modelo de Jaynes-Cummings y del modelo de Rabi en la plataforma Qiskit de IBM, utilizando los mapeos de Holstein-Primakoff y binario. Mientras que la simulación del modelo de Jaynes-Cummings reproduce con precisión las oscilaciones de Rabi, la del modelo de Rabi presenta errores debido a la no conmutatividad de sus términos hamiltonianos. Se emplean la aproximación de Trotter-Suzuki y la expansión de Zassenhaus para mejorar la precisión, pero esta última introduce ruido en la simulación. Los resultados evidencian las limitaciones actuales en la implementación de modelos cuánticos de interacción luz-materia en hardware cuántico y sugieren la necesidad de métodos más avanzados.
El objetivo de este trabajo es realizar un estudio sobre las transiciones de fase cuánticas que se presentan en el modelo de Rabi, un modelo de interacción radiación-materia entre un átomo de dos niveles y un campo bosónico. Presentaremos y analizaremos su hamiltoniano para, a partir del mismo, caracterizar las transiciones de fase cuánticas que afectan tanto al estado fundamental como a los estados excitados del sistema. Primero analizaremos la transición en el estado fundamental, realizando el estudio cuántico mediante cálculos numéricos y luego haciendo un estudio analítico dentro de una aproximación semiclásica. Ello nos permitirá comparar los resultados y comprobar la validez de esta aproximación. Después, analizaremos la transición en los estados excitados, comparando de nuevo el estudio analítico con los cálculos numéricos, exactos. Veremos que la transición de fase en el estado fundamental se debe al cambio del potencial que observa el sistema, causando la rotura de la simetría de dicho estado. Por otro lado, comprobaremos que la transición en los estados excitados solo puede ocurrir cuando ya se ha dado la transición en el estado fundamental, y veremos que se caracteriza por la degeneración en niveles de energía inferiores a cierto valor crítico. En todos los casos, comprobaremos que los cálculos semiclásicos y los exactos coinciden cuando el cociente entre las energías que caracterizan al átomo y al campo bosónico tiene un valor grande comparado con 1. Para conseguirlo, hemos desarrollado desde cero diversos códigos MATLAB con el objetivo de poder realizar los cálculos necesarios para caracterizar las transiciones. En concreto, para estudiar la transición de fase en el estado fundamental, hemos desarrollado un código que permite obtener la energía del estado fundamental del sistema y otro que permite calcular, para dicho estado, el valor esperado del número de fotones y de σz, observables que se discutirán en el texto. También hemos creado un código que muestra la forma del potencial que afecta al sistema en su estado fundamental. Del mismo modo, al estudiar la transición en los estados excitados, hemos creado un código que obtiene todos los niveles de energía del sistema, con el objetivo de calcular numéricamente la densidad de estados. Otro código permite comparar este cálculo con la expresión analítica que obtendremos de la densidad de estados, y otro último calcula el valor de σz en todos los estados del sistema. Por último, dos códigos nos permitirán crear imágenes que sirvan para ilustrar lo que sucede en las transiciones; el primero de ellos representa la forma del potencial que afecta al sistema en diversas situaciones; el segundo estudia la variación de los diez primeros niveles energéticos del sistema. Todo esto se desarrolla en el trabajo. Los códigos pueden consultarse en el apéndice.
Clasicamente, el tiempo de calculo de la energia de sistemas cuanticos crece exponencialmente con su tamano. Sin embargo, este calculo puede hacerse de orden polinomial usando un algoritmo cuantico recursivo tal como el denominado algoritmo de estimacion de fase (PEA). El PEA reduce el numero de bits cuanticos (qubits) requeridos para el registro de salida de veinte a cuatro aproximadamente. La funcion de onda del sistema molecular es mapeado a la base de los qubits de tal modo que el numero de qubits requeridos escala linealmente con el numero de elementos de la base y el numero de compuertas necesitadas crece polinomialmente con el numero de qubits. Este trabajo muestra como dicho algoritmo obtiene el valor propio de un operador hermetico, tipicamente la energia del estado fundamental de un sistema fisico abierto, dada la posible interaccion con fuentes de ruido cuantico. Lo anterior se realiza mediante la modelacion de fuentes de disipacion cuantica dentro del algoritmo y la implementacion de correccion cuantica de errores a traves del algoritmo de Shor
Investigamos varios metodos de simulacion cuantica de modelos fermionicos, y damos cuenta de una implementacion de una de nuestras propuestas en un soporte de circuitos superconductores. Partiendo de la usual codificacion digital de la informacion en qubits, habitual en computacion cuantica universal, modificamos este esquema central para incorporar tecnicas hibridas, donde no consideramos los qubits como unicos portadores de informacion, sino tambien otros elementos de las plataformas cuanticas, cuyos grados de libertad son recursos en potencia para almacenaje y computo. Atentos al concepto de ?complejidad simulando complejidad?, proponemos enfoques de simulacion cuantica digital-analogica y protocolos clasico-cuanticos para asi incrementar las capacidades de simulacion de fermiones en los circuitos superconductores. Proponemos su aplicacion para simulacion de modelos fermionicos en materia condensada, gravedad cuantica, teoria cuantica de campos, y quimica cuantica. Estos simuladores cuanticos especializados para ciertos problemas que usan codificacion analogica de la informacion son buenos candidatos para lograr la simulacion de problemas complejos en dispositivos cuanticos alcanzables con la tecnologia actual.
La simulación clásica de circuitos cuánticos sigue siendo un recurso indispensable para diseñar, validar y analizar algoritmos cuánticos. No obstante, en los simuladores de estado completo su alcance práctico queda limitado por el crecimiento exponencial de la memoria requerida para almacenar el vector de estado. En respuesta a esta restricción, el presente trabajo estudia la compresión sin pérdida como mecanismo de gestión de memoria en simuladores cuánticos tipo Schrödinger, con el objetivo de reducir la huella de almacenamiento sin introducir alteraciones numéricas en la simulación. La propuesta comprende la selección de un simulador base y de una biblioteca de compresión adecuada, el diseño de una arquitectura de almacenamiento por bloques con descompresión selectiva y caché LRU, su implementación en TMFQSfullstate mediante Blosc2 y su evaluación experimental frente a una ejecución de referencia sin compresión y a una estrategia con pérdida controlada basada en ZFP. La validación se realizó con circuitos representativos de comportamientos contrastantes de compresibilidad, en particular Grover y la transformada cuántica de Fourier, para instancias entre 20 y 25 qubits. Los resultados muestran que la estrategia sin pérdida basada en Blosc logra reducciones significativas de memoria en escenarios favorables, especialmente en Grover, manteniendo coincidencia exacta con la referencia no comprimida y error absoluto máximo nulo en todos los casos evaluados. También evidencian que la eficacia de la compresión depende de la estructura del estado cuántico y del patrón de acceso al vector, por lo que no puede asumirse un beneficio uniforme entre algoritmos. En conjunto, el trabajo demuestra que la compresión sin pérdida es una alternativa viable para ampliar la capacidad práctica de simulación cuando la memoria es la restricción dominante y el estado conserva regularidades aprovechables.