Towards Fault-Tolerant Quantum Information Processing with Trapped Ions
- Autores: Andrea Rodríguez Blanco
- Directores de la Tesis: Alejandro Bermudez Carballo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 191
- Títulos paralelos:
- Procesamiento de información cuántica altamente tolerante a fallos con iones atrapados
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ángel Martín-Delgado Alcántara (presid.), Alfredo Luis Aina (secret.), Enrique Rico Ortega (voc.), Philipp Schindler (voc.), Markus Muller (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
- Resumen
- español
El Procesamiento Cuántico de la Información es un campo de investigación que busca utilizar las propiedades cuánticas que exhiben ciertos sistemas físicos para, entre otros, construir procesadores cuánticos que permitan la ejecución de algoritmos de forma más eficiente.
Sin embargo, uno de los principales desafíos para la construcción de estos procesadores es que los sistemas cuánticos son muy sensibles al ruido. Las interacciones no deseadas con el entorno provocan errores que pueden llegar a corromper los resultados. Afortunadamente, la teoría de la computación cuántica tolerante a fallos establece que aun así es posible la realización de computación cuántica fiable si el ruido en el procesador cuántico no es demasiado elevado. La computación cuántica tolerante a fallos opera en qubits codificados en un código cuántico de corrección de errores. Circuitos de verificación de la paridad tolerantes a fallos permiten la detección de faltas en la información codificada, sin perturbar la información codificada, y sin que errores individuales en el circuito se propaguen de forma descontrolada. Así, garantizar el correcto funcionamiento de los circuitos de corrección cuántica de errores es crucial para lograr la tolerancia a fallos en los procesadores cuánticos sujetos a ruido.
Esta tesis se desarrolla en torno al ruido presente en plataformas cuánticas de iones atrapados y aborda el problema del ruido desde diferentes perspectivas. Por un lado, se pretende hacer un estudio más detallado del ruido microscópico presente en las puertas de entrelazamiento, que son las que tienen ratios de error más elevados junto con el desarrollo de técnicas que permitan reducir esas ratios de error. Por otro lado, se presenta un método para certificar el correcto funcionamiento de circuitos de paridad. Todo ello bajo un marco de técnicas eficientes que puedan ser implementables en los procesadores cuánticos actuales.
La tesis comienza con una introducción a la teoría del procesamiento cuántico de la información aplicada a las plataformas de iones atrapados y presenta un modelo detallado del ruido presente en las puertas light-shift de entrelazamiento, calculando de forma analítica la fidelidad de la puerta en términos de las distintas fuentes de error.
Según se avanza en el contenido, se presenta el método de certificación de los circuitos de verificación de paridad, en términos de su capacidad para generar estados máximamente entrelazados. Presentamos una técnica basada en testigos de entrelazamiento que es eficiente y más robusta contra el ruido que métodos anteriores.
Además, se muestran los resultados experimentales cuando este método de certificación se implementa en un procesador cuántico real de iones atrapados basado en la arquitectura de shuttling.
La tesis concluye con un protocolo para revertir parcialmente el ruido debido al decaimiento de amplitud en puertas nativas de dos qubits con iones atrapados. El método se enmarca en las técnicas de corrección de errores probabilística y se inspira en técnicas de destilación de entrelazamiento con una sola copia. Para destilar entrelazamiento con una sola copia es necesario la construcción de "filtros" con ayuda de ayuda de medidas generalizadas y cona acceso a cierta información previa sobre el canal de ruido afectando a la unitaria. En esta tesis presentamos dos protocolos para implementar estas operaciones de filtrado en trampas de iones.
Así, esta tesis hace una descripción más detalla del ruido presente en las puertas de entrelazamiento de las plataformas de iones, y presenta métodos eficientes para suprimir ciertos tipos de ruidos en la unitaria y protocolos de certificación de circuitos de varios qubits.
- English
Quantum Information Processing is a field of research that covers all the scientific and technological development that uses the principles of quantum mechanics for communication and computation. It seeks to understand and develop new ways of processing, storing, and transmitting information based on quantum mechanics. Quantum information processing has been a central focus of research during the last few decades and relevant results establish that quantum information processing can exceed those traditional ways of processing information. For example, quantum cryptography ensures more secure communications, and quantum computation has the potential to solve problems in faster polynomial time for which classical algorithms have not been found. Also, in quantum computation, we could simulate physical systems and processes, which can not be done with current supercomputers. However, one of the major challenges to the experimental realization of reliable quantum information processors is that quantum systems are really sensitive to noise. Unwanted interactions with the environment lead to errors that can corrupt the results of quantum computation. Nevertheless, the theory of fault-tolerant quantum computation establishes that quantum computation is still possible if the noise in the quantum processor is not too strong. Fault-tolerant quantum computation operates on qubits encoded in a quantum errorcorrecting code. In quantum error correction, parity-check measurements allow the detection of faults in the encoded information. The fault-tolerant theory also tells us how to perform quantum gates on encoded qubits where single errors do not spread uncontrollably. However, ensuring the correct functioning of quantum error correction circuits is crucial to achieving fault tolerance inquantum processors subjected to noise...
- español
