Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29351

Type: Tese
Title: Loading and extraction of information on near-term quantum computers
Author(s)/Inventor(s): Farias, Renato Mello da Silva
Advisor: Aolita, Leandro
Abstract: A fim de cumprir a promessa de vantagem computacional, a computação quântica necessita interagir eficientemente com computadores clássicos. Portanto, a existência de algoritmos quânticos eficientes é de fundamental importância para o carregamento e extração de dados clássicos em computadores quânticos. Esta necessidade se torna ainda mais relevante no contexto de recursos limitados das tecnologias quânticas de escala ruidosa intermediária (NISQ, em inglês). Nesta tese, apresentamos dois artigos abordando estas questões. Primeiro, apresentamos um esquema de codificação em amplitudes, que carrega dados clássicos em qualquer subespaço de Hilbert desejado. Estes subespaços são caracterizados por estados da base computacional associados a sequências de bits que contêm o mesmo peso de Hamming. Este esquema de codificação é utilizado como uma subrotina de outros dois novos algoritmos: um para codificação no modelo de acesso esparso e outro para codificação na base binária completa. Os circuitos quânticos resultantes dos três algoritmos são determinísticos, desprovidos de qubits auxiliares, ótimos em número de parâmetros e os estados quânticos são preparados de forma exata. Além disso, demonstramos nosso codificador de amplitudes em um hardware quântico comercial e investigamos seu potencial como um ansatz para protocolos variacionais de optimização híbrida quântica-clássica. Em segundo lugar, apresentamos um protocolo de medições aleatórias em estados quânticos de n qubits. Este protocolo implementa as bases de medida usando circuitos com profundidade ultra curtas, i.e. O(1) em n, e também é robusto com relação a ruídos. O algoritmo expande a área de classical shadows para o território dos computadores NISQ, atualmente mais experimentalmente relevante. Mostramos que o canal de medidas resultante dos nossos circuitos pode ser representado por uma rede de tensores, aliviando o custo de pós-processamento que é típico do protocolo de classical shadows. Numericamente, investigamos a robusteza do nosso protocolo e demonstramos sua performance em uma aplicação. Experimentalmente, implementamos o esquema de medidas em um hardware NISQ comercial.
Abstract: To fulfill its promise of computational advantages, quantum computing requires efficient interfacing with classical computers. Thus, the existence of efficient algorithms for the loading and extraction of classical data on quantum computers is of fundamental importance. This necessity becomes even more relevant in the context of near-term intermediate-scale quantum (NISQ) computers and their limited resources. In this thesis, we present two articles addressing these issues. First, we present an amplitude encoding scheme that loads classical data onto any Hilbert subspace that is defined by computational basis states associated with bitstrings of fixed Hamming weight. We then use this encoding scheme as a subroutine of a novel sparse encoder as well as a new binary encoding protocol. The resulting quantum circuits outputted by the three encoders are deterministic, ancilla-free, and parameter-optimal, and the prepared quantum state is exact. We demonstrate our amplitude encoder on commercial quantum hardware and numerically investigate its capabilities as a variational quantum ansatz. Second, we present a protocol for randomized measurements in n-qubit quantum states that uses ultra short-depth circuits, i.e. O(1) in n, and is also robust to noise. This algorithm expands the classical shadows scheme to the more experimentally relevant scenario for NISQ devices. We show that the measurement channel resulting from our circuits admits a tensor network representation, alleviating the postprocessing costs that are typical of the classical shadows protocol. We numerically investigate the robustness of our protocol and demonstrate its capabilities with numerical experiments as well as deployment on commercially available NISQ hardware.
Keywords: Preparação de estados
Codificação em amplitudes
Circuitos hamming weight
Codificação esparsa
Codificação binária
Medições aleatórias
Circuitos de curta profundidade
State preparation
Amplitude encoding
Hamming weight circuits
Sparse encoding
Binary encoding
Randomized measurements
Classical shadows
Short-depth circuits
Hamming-weight-preserving circuits
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Física
Production unit: Instituto de Física
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 7-Mar-2025
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Física

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