Hybrid Quantum-Classical Computation

Abstract

A computação quântica emergiu como uma tecnologia capaz de mudar paradigmas em vários campos. Por outro lado, o desenvolvimento atual de tais aplicações é dificultado por hardware quântico ainda muito ruidoso. A Computação Quântica-Clássica Híbrida usa as capacidades de ambos os Computadores Quântico e Clássico (como High Performance Computers (HPC) ou supercomputadores) para criar uma ponte que integra e explora as vantagens de cada um. Este campo ainda é relativamente ignorado, ficando na sombra de grandes avanços no campo do hardware quântico. Atualmente, existe um vazio considerável no que diz direito aos esforços para desenvolver algoritmos que utilizam as capacidades de ambas as tecnologias.Neste trabalho, exploraremos a computação híbrida como um todo, compreendendo todas as suas partes fundamentais e as suas limitações. Começaremos com uma introdução teórica sendo necessário para contextualizar este trabalho, e um estudo do estado da arte relacionado ao desenvolvimos de algoritmos híbridos. Depois iremos apresentar a estrutura para o algoritmo de passeios quânticos, propondo uma arquitetura híbrida e aplicação num domínio inexplorado, a simulação da partícula livre de Dirac. De seguida, iremos realizar um teste ao nosso algoritmo híbrido, utilizando hardware quântico real, e expor as limitações deste. Como abordagem final, utilizaremos um simulador de hardware quântico instalado num HPC localizado no Laboratório para Computação Avançada da Universidade de Coimbra, para calcular a evolução de uma partícula livre de Dirac aprisionada num potencial quadrado, utilizando como base o algorithmo de passeios quânticos (quantum walk).

Quantum Computing has emerged as a technology capable of changing paradigms on multiple fields. In the other hand, current development of such applications is tampered by noisy quantum hardware.Hybrid Quantum Classical Computation leverages the strengths of both Quantum and Classical Computers (such as High Performance Computers (HPC)) to create a bridge that seamlessly integrates and exploits the advantages of each. This field is still overlooked, being under the shadow of the great advancement in the field of quantum hardware. Currently, there is a noticeable void in the efforts to develop algorithms that use the power of both technologies.In this work we will explore hybrid computing as a whole, understand all of its fundamental parts and its limitations. We began with an introduction of the necessary theoretical background and a study of the state of the art related to hybrid algorithm developments. Then we will present the framework for the quantum walk algorithm, exploring some of its capabilities. Next we will propose an hybrid architecture and application on an unexplored domain, the simulation of Dirac free particle. Then we will do a test of our hybrid algorithm for simple problems, using real quantum hardware, exposing the limitations of it.As a final approach we will use a simulator of quantum hardware ran on a classical High Performance Computer provided by the Laboratory for Advanced Computing of the University of Coimbra, to execute the quantum walk algorithm of the Dirac free-particle trapped in a square potential.