Controle Ótimo aplicado a Computação Quântica

• Processo: 24/23566-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de janeiro de 2026
• Data de Término da vigência: 28 de fevereiro de 2030
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física Geral
• Pesquisador responsável: Emanuel Fernandes de Lima
• Beneficiário: Gustavo Fernandes da Costa
• Instituição Sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Aprendizado computacional Computação quântica Controle quântico
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Aprendizado de Máquina | computação quântica | controle quântico | sistemas abertos | sistemas de dois níveis | Teoria de controle ótimo | Controle de Sistemas Quânticos

Resumo

A Computação Quântica é uma das áreas mais promissoras da Física. Sua plena realização permitirá resolver problemas que são proibitivos para a computação clássica. Nas últimas décadas, houve um progresso considerável das tecnologias quânticas. Diversos dispositivos quânticos com algum nível de ruído e em escala intermediária (cerca de 100 qubits) estão em operação ou em desenvolvimento, chamados NISQ devices. Algoritmos quânticos variacionais, juntamente com algoritmos adiabáticos e de recozimento quântico, foram desenvolvidos para estas plataformas com aplicações em química, otimização e aprendizagem de máquina. Controlar sistemas quânticos de maneira eficiente e no menor tempo possível para evitar efeitos deletérios da interação sistema-ambiente é crucial para a computação quântica e para tecnologias quânticas em geral. A Teoria de Controle Ótimo tem sido evocada como uma ferramenta importante tanto para otimizar portas quânticas com alta fidelidade bem como para melhorar a performance dos algoritmos quânticos. Outra abordagem recente para esses problemas de controle ótimo é baseada em aprendizado de máquina, em especial em aprendizagem por reforço. O presente projeto pretende investigar a otimização de protocolos para a computação quântica. Além de considerarmos os problemas centrais da computação quântica baseada em circuitos que são a transferência entre estados pré-determinados e a construção de operadores unitários, chamados de portas quânticas, também consideraremos a computação no contexto dos algoritmos quânticos variacionais, adiabáticos e de recozimento quântico, que representam paradigmas para os dispositivos quânticos atuais. O primeiro objetivo será melhorar a performance de algoritmos quânticos por meio do controle ótimo levando em conta o acoplamento do sistema com o ambiente externo. Buscaremos realizar a implementação de portas quânticas no menor tempo possível empregando diversas abordagens. Utilizaremos técnicas advindas da teoria de controle quântico ótimo, como o método de Krotov, bem como métodos baseados em aprendizado de máquina. Esse estudo pretende revelar exemplos concretos de como controle quântico pode se relacionar com a computação quântica e fornecer perspectivas sobre o design de algoritmos quânticos à luz do controle quântico ótimo. (AU)