Quantum Emulation of Gravitational Waves

Gravitational waves, as predicted by Einstein's general relativity theory, appear as ripples in the fabric of spacetime traveling at the speed of light. We prove that the propagation of small amplitude gravitational waves in a curved spacetime is equivalent to the propagation of a subspace of electromagnetic states. We use this result to propose the use of entangled photons to emulate the evolution of gravitational waves in curved spacetimes by means of experimental electromagnetic setups featuring metamaterials.

Digital Quantum Simulation of Spin Models with Circuit Quantum Electrodynamics

Systems of interacting quantum spins show a rich spectrum of quantum phases and display interesting many-body dynamics. Computing characteristics of even small systems on conventional computers poses significant challenges. A quantum simulator has the potential to outperform standard computers in calculating the evolution of complex quantum systems. Here, we perform a digital quantum simulation of the paradigmatic Heisenberg and Ising interacting spin models using a two transmon-qubit circuit quantum electrodynamics setup. We make use of the exchange interaction naturally present in the simulator to construct a digital decomposition of the model-specific evolution and extract its full dynamics. This approach is universal and efficient, employing only resources that are polynomial in the number of spins, and indicates a path towards the controlled simulation of general spin dynamics in superconducting qubit platforms.

Scalable quantum memory in the ultrastrong coupling regime

Circuit quantum electrodynamics, consisting of superconducting artificial atoms coupled to on-chip resonators, represents a prime candidate to implement the scalable quantum computing architecture because of the presence of good tunability and controllability. Furthermore, recent advances have pushed the technology towards the ultrastrong coupling regime of light-matter interaction, where the qubit-resonator coupling strength reaches a considerable fraction of the resonator frequency. Here, we propose a qubit-resonator system operating in that regime, as a quantum memory device and study the storage and retrieval of quantum information in and from the Z(2) parity-protected quantum memory, within experimentally feasible schemes. We are also convinced that our proposal might pave a way to realize a scalable quantum random-access memory due to its fast storage and readout performances.

Síntese evolucionária de circuitos sequenciais inspirada nos princípios da computação quântica.

Esta dissertação investiga a aplicação dos algoritmos evolucionários inspirados na computação quântica na síntese de circuitos sequenciais. Os sistemas digitais sequenciais representam uma classe de circuitos que é capaz de executar operações em uma determinada sequência. Nos circuitos sequenciais, os valores dos sinais de saída dependem não só dos valores dos sinais de entrada como também do estado atual do sistema. Os requisitos cada vez mais exigentes quanto à funcionalidade e ao desempenho dos sistemas digitais exigem projetos cada vez mais eficientes. O projeto destes circuitos, quando executado de forma manual, se tornou demorado e, com isso, a importância das ferramentas para a síntese automática de circuitos cresceu rapidamente. Estas ferramentas conhecidas como ECAD (Electronic Computer-Aided Design) são programas de computador normalmente baseados em heurísticas. Recentemente, os algoritmos evolucionários também começaram a ser utilizados como base para as ferramentas ECAD. Estas aplicações são referenciadas na literatura como eletrônica evolucionária. Os algoritmos mais comumente utilizados na eletrônica evolucionária são os algoritmos genéticos e a programação genética. Este trabalho apresenta um estudo da aplicação dos algoritmos evolucionários inspirados na computação quântica como uma ferramenta para a síntese automática de circuitos sequenciais. Esta classe de algoritmos utiliza os princípios da computação quântica para melhorar o desempenho dos algoritmos evolucionários. Tradicionalmente, o projeto dos circuitos sequenciais é dividido em cinco etapas principais: (i) Especificação da máquina de estados; (ii) Redução de estados; (iii) Atribuição de estados; (iv) Síntese da lógica de controle e (v) Implementação da máquina de estados. O Algoritmo Evolucionário Inspirado na Computação Quântica (AEICQ) proposto neste trabalho é utilizado na etapa de atribuição de estados. A escolha de uma atribuição de estados ótima é tratada na literatura como um problema ainda sem solução. A atribuição de estados escolhida para uma determinada máquina de estados tem um impacto direto na complexidade da sua lógica de controle. Os resultados mostram que as atribuições de estados obtidas pelo AEICQ de fato conduzem à implementação de circuitos de menor complexidade quando comparados com os circuitos gerados a partir de atribuições obtidas por outros métodos. O AEICQ e utilizado também na etapa de síntese da lógica de controle das máquinas de estados. Os circuitos evoluídos pelo AEICQ são otimizados segundo a área ocupada e o atraso de propagação. Estes circuitos são compatíveis com os circuitos obtidos por outros métodos e em alguns casos até mesmo superior em termos de área e de desempenho, sugerindo que existe um potencial de aplicação desta classe de algoritmos no projeto de circuitos eletrônicos.