Publicação

Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O trabalho apresentado nesta tese surge como uma extensão de duas linhas separadas de trabalho: por um lado, advém do trabalho prévio do grupo QUANTIC, da Universidade de Barcelona, onde parte do trabalho de tese aqui apresentado foi desenvolvido, sob um estágio Erasmus. O grupo QUANTIC tem como área principal de investigação a computação quântica; dos seus trabalhos recentes constam aplicações de Algoritmos Quânticos Variacionais (Quantum Variational Algorithms, QVAs) e geralmente computação quântica a diferentes problemas. Por outro lado, a publicação de 2008 por Bravyi, DiVincenzo, Loss e Terhal foi instrumental na elaboração do trabalho aqui apresentado, permitindo concretizar o objectivo proposto: construir um método para o cálculo de geometria molecular minimizante da energia, com requerimentos quânticos computacionais mínimos, tanto em termos da qualidade dos qubits utilizados, como em termos do número de qubits necessários. No contexto desse objectivo, uma parte substancial do trabalho desenvolvido nesta tese foi dedicado à construção de um simulador de circuitos quânticos, a fim de explorar as dificuldades teóricas e técnicas inerentes ao desenvolvimento de uma simulação total de um algoritmo quântico variacional. Na secção 1 é apresentado o material teórico de base ao trabalho desenvolvido nesta tese, nomeadamente: a aproximação de Born-Oppenheimer e a segunda quantização de um Hamiltoniano molecular (secção 1.1), a transformação deste Hamiltoniano para uma forma favorável à utilização de um computador quântico(secção 1.2), Algoritmos Quânticos Variacionais e as suas vantagens no regime atual de computação quântica (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ; secção 1.3), e finalmente a transformada de Schrieffer-Wolff (secção 1.4).As secções 3 e 4 formam o trabalho nuclear desta tese: na secção 3 apresenta-se o desenvolvimento "de raíz" de uma biblioteca em C/Python de simulação de circuitos quânticos e algoritmos quânticos variacionais. A biblioteca foi denominada QOP, como acrónimo de Quantum OPtimizer. Na secção 4 apresenta-se um método original para o cálculo de geometria molecular minimizante da energia (ou, mais genericamente, dos parâmetros minimizantes de energia de um Hamiltoniano parametrizado). Finalmente, o trabalho desenvolvido é aplicado a sistemas moleculares de teste, nomeadamente H2, HLi e O2, sendo os resultados obtidos para estes sistemas apresentados e discutidos, respetivamente, nas secções 6 e 7. Observa-se que a técnica proposta na seccção 4 é bem sucedida para alguns dos sistemas considerados. Verifica-se também que não é por vezes possível obter um comprimento de ligação molecular, podendo-se isso relacionar com o processo quântico variacional, mas também com o processo pelo qual se reduz a localidade dos Hamiltonianos considerados. Ainda assim, obtêm-se, pelo processo original proposto, comprimentos de ligação comparáveis aos obtidos com um tratamento Hartree-Fock para vários sistemas.
Autores principais:	Murça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Morais
Assunto:	Computação Quântica Estrutura Molecular Simulador de Circuitos Quânticos Computação Quântica no Regime Atual Algoritmos Quânticos Variacionais Quantum Computing Molecular Structure Quantum Circuit Simulator Noisy Intermediate-Scale Quantum Quantum Variational Algorithms
Ano:	2020
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso embargado
Instituição associada:	Universidade de Coimbra
Idioma:	inglês
Origem:	Estudo Geral - Universidade de Coimbra

Descrição
Resumo:	O trabalho apresentado nesta tese surge como uma extensão de duas linhas separadas de trabalho: por um lado, advém do trabalho prévio do grupo QUANTIC, da Universidade de Barcelona, onde parte do trabalho de tese aqui apresentado foi desenvolvido, sob um estágio Erasmus. O grupo QUANTIC tem como área principal de investigação a computação quântica; dos seus trabalhos recentes constam aplicações de Algoritmos Quânticos Variacionais (Quantum Variational Algorithms, QVAs) e geralmente computação quântica a diferentes problemas. Por outro lado, a publicação de 2008 por Bravyi, DiVincenzo, Loss e Terhal foi instrumental na elaboração do trabalho aqui apresentado, permitindo concretizar o objectivo proposto: construir um método para o cálculo de geometria molecular minimizante da energia, com requerimentos quânticos computacionais mínimos, tanto em termos da qualidade dos qubits utilizados, como em termos do número de qubits necessários. No contexto desse objectivo, uma parte substancial do trabalho desenvolvido nesta tese foi dedicado à construção de um simulador de circuitos quânticos, a fim de explorar as dificuldades teóricas e técnicas inerentes ao desenvolvimento de uma simulação total de um algoritmo quântico variacional. Na secção 1 é apresentado o material teórico de base ao trabalho desenvolvido nesta tese, nomeadamente: a aproximação de Born-Oppenheimer e a segunda quantização de um Hamiltoniano molecular (secção 1.1), a transformação deste Hamiltoniano para uma forma favorável à utilização de um computador quântico(secção 1.2), Algoritmos Quânticos Variacionais e as suas vantagens no regime atual de computação quântica (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ; secção 1.3), e finalmente a transformada de Schrieffer-Wolff (secção 1.4).As secções 3 e 4 formam o trabalho nuclear desta tese: na secção 3 apresenta-se o desenvolvimento "de raíz" de uma biblioteca em C/Python de simulação de circuitos quânticos e algoritmos quânticos variacionais. A biblioteca foi denominada QOP, como acrónimo de Quantum OPtimizer. Na secção 4 apresenta-se um método original para o cálculo de geometria molecular minimizante da energia (ou, mais genericamente, dos parâmetros minimizantes de energia de um Hamiltoniano parametrizado). Finalmente, o trabalho desenvolvido é aplicado a sistemas moleculares de teste, nomeadamente H2, HLi e O2, sendo os resultados obtidos para estes sistemas apresentados e discutidos, respetivamente, nas secções 6 e 7. Observa-se que a técnica proposta na seccção 4 é bem sucedida para alguns dos sistemas considerados. Verifica-se também que não é por vezes possível obter um comprimento de ligação molecular, podendo-se isso relacionar com o processo quântico variacional, mas também com o processo pelo qual se reduz a localidade dos Hamiltonianos considerados. Ainda assim, obtêm-se, pelo processo original proposto, comprimentos de ligação comparáveis aos obtidos com um tratamento Hartree-Fock para vários sistemas.