Algorithmic strategies for seizing quantum computing

Resumen

La computación cuántica es una tecnología emergente con potencial para resolver problemas hoy impracticables. Para ello son necesarios ordenadores capaces de mantener sistemas cuánticos y controlarlos con precisión. Sin embargo, construir estos ordenadores es complejo y a corto plazo sólo habrá ordenadores pequeños afectados por el ruido y sujetos a ruido (NISQ). Para aprovechar los ordenadores NISQ se exploran algoritmos que requieran pocos recursos cuánticos mientras proporcionan soluciones aproximadas a los problemas que enfrentan. En esta tesis se estudian dos propuestas para algoritmos NISQ: re-uploading y unary. Cada estrategia busca tomar ventaja de diferentes características de la computación cuántica para superar diferentes obstáculos. Ambas estrategias son generales y aplicables en diversos escenarios. En primer lugar, re-uploading está diseñado como un puente entre la computación cuántica y el aprendizaje automático (Machine Learning). Aunque no es el primer intento de aplicar la cuántica al aprendizaje automático, re-uploading tiene ciertas características que lo distinguen de otros métodos. En concreto, re-uploading consiste en introducir datos en un algoritmo cuántico en diferentes puntos a lo largo del proceso. Junto a los datos se utilizan también parámetros optimizables clásicamente que permiten al circuito aprender cualquier Àrea de Planificació i Serveis Acadèmics Gestió Acadèmica - Afers Generals i Tercer Cicle Última Actualización: 09/06/2009 comportamiento. Los resultados mejoran cuantas más veces se introducen los datos. El re-uploading cuenta con teoremas matemáticos que sustentan sus capacidades, y ha sido comprobado con éxito en diferentes situaciones tanto simuladas como experimentales. La segunda estrategia algorítmica es unary. Consiste en describir los problemas utilizando sólo parte del espacio de computación disponible dentro del ordenador. Así, las capacidades computacionales del ordenador no son óptimas, pero a cambio las operaciones necesarias para una cierta tarea se simplifican. Los resultados obtenidos son resistentes al ruido, y mantienen su significado, y se produce una compensación entre eficiencia y resistencia a errores. Los ordenadores NISQ se ven beneficiados de esta situación para problemas pequeños. En esta tesis, unary se utiliza para resolver un problema típico de finanzas, incluso obteniendo ventajas cuánticas en un problema aplicable al mundo real. Con esta tesis se espera contribuir al crecimiento de los algoritmos disponibles para ordenadores cuánticos NISQ y allanar el camino para las tecnologías venideras.