Síntese de Circuitos Quânticos usando Projective Simulation

Abstract

A computação quântica é uma área que vem evoluindo muito nos últimos anos. Embora os algoritmos quânticos desenvolvidos atualmente tenham demostrado superioridade em relação às suas contrapartes clássicas, fatores como tempo de decoerência de um qubit e a necessidade de qubits auxiliares para rotinas de tolerância a erro tem se mostrado grandes barreiras no uso efetivo de algoritmos quânticos. Por causa dessas restrições, busca-se maneiras de minimizar o custo envolvido em um algoritmo. Para isso são desenvolvidas técnicas para síntese e otimização de circuitos quânticos. Síntese de circuitos quânticos engloba técnicas para se produzir um circuito que seja capaz de realizar uma determinada tarefa. Muitas técnicas de síntese não garantem a otimalidade de seu circuito criado, sendo necessário um processo de otimização do circuito após a síntese. Esse trabalho busca estudar as técnicas existentes de síntese de circuitos quânticos, indicando o atual estado da arte e por fim implementa seu próprio sintetizador usando uma técnica recente e pouco explorada conhecida como \textit{Projective Simulation}. O novo sintetizador demonstrou-se capaz de sintetizar circuitos quânticos de dois qubits, tendo seu desempenho avaliado a partir de sua capacidade de criar os circuitos geradores dos estados de Bell.

Quantum Computation is a field of research that has been evolving in the last years. Although nowadays quantum algorithms have shown themselves superior to their classical counterparts, quantum decoherence and the need for additional auxiliary qubits for error tolerance routines have been great barriers in the efficient use of quantum algorithms. Because of these restrictions, it is necessary to search for ways to minimize the cost of an algorithm. Quantum Circuit Synthesis includes techniques to produce a circuit that is capable of doing a given task. Many techniques can not guarantee the optimality of the resulting circuit, so an optimization process is needed after the synthesis. This work seeks to study the state of art technics for quantum circuit synthesis and implements its own synthesizer using a recent technique called Projective Simulation. The new synthesizer was able to synthesize quantum circuits up to two qubits, and its performance was measured using the Bell states circuits as a benchmark.