Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Murça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Morais
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/92475
Resumo: Dissertação de Mestrado em Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
id RCAP_e22f59d7aa90c2ec0d99bf9d4610cf5f
oai_identifier_str oai:estudogeral.uc.pt:10316/92475
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational ApproachCálculos de Geometria Molecular Usando uma Nova Abordagem Quântica VariacionalComputação QuânticaEstrutura MolecularSimulador de Circuitos QuânticosComputação Quântica no Regime AtualAlgoritmos Quânticos VariacionaisQuantum ComputingMolecular StructureQuantum Circuit SimulatorNoisy Intermediate-Scale QuantumQuantum Variational AlgorithmsDissertação de Mestrado em Física apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO trabalho apresentado nesta tese surge como uma extensão de duas linhas separadas de trabalho: por um lado, advém do trabalho prévio do grupo QUANTIC, da Universidade de Barcelona, onde parte do trabalho de tese aqui apresentado foi desenvolvido, sob um estágio Erasmus. O grupo QUANTIC tem como área principal de investigação a computação quântica; dos seus trabalhos recentes constam aplicações de Algoritmos Quânticos Variacionais (Quantum Variational Algorithms, QVAs) e geralmente computação quântica a diferentes problemas. Por outro lado, a publicação de 2008 por Bravyi, DiVincenzo, Loss e Terhal foi instrumental na elaboração do trabalho aqui apresentado, permitindo concretizar o objectivo proposto: construir um método para o cálculo de geometria molecular minimizante da energia, com requerimentos quânticos computacionais mínimos, tanto em termos da qualidade dos qubits utilizados, como em termos do número de qubits necessários. No contexto desse objectivo, uma parte substancial do trabalho desenvolvido nesta tese foi dedicado à construção de um simulador de circuitos quânticos, a fim de explorar as dificuldades teóricas e técnicas inerentes ao desenvolvimento de uma simulação total de um algoritmo quântico variacional. Na secção 1 é apresentado o material teórico de base ao trabalho desenvolvido nesta tese, nomeadamente: a aproximação de Born-Oppenheimer e a segunda quantização de um Hamiltoniano molecular (secção 1.1), a transformação deste Hamiltoniano para uma forma favorável à utilização de um computador quântico(secção 1.2), Algoritmos Quânticos Variacionais e as suas vantagens no regime atual de computação quântica (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ; secção 1.3), e finalmente a transformada de Schrieffer-Wolff (secção 1.4).As secções 3 e 4 formam o trabalho nuclear desta tese: na secção 3 apresenta-se o desenvolvimento "de raíz" de uma biblioteca em C/Python de simulação de circuitos quânticos e algoritmos quânticos variacionais. A biblioteca foi denominada QOP, como acrónimo de Quantum OPtimizer. Na secção 4 apresenta-se um método original para o cálculo de geometria molecular minimizante da energia (ou, mais genericamente, dos parâmetros minimizantes de energia de um Hamiltoniano parametrizado). Finalmente, o trabalho desenvolvido é aplicado a sistemas moleculares de teste, nomeadamente H2, HLi e O2, sendo os resultados obtidos para estes sistemas apresentados e discutidos, respetivamente, nas secções 6 e 7. Observa-se que a técnica proposta na seccção 4 é bem sucedida para alguns dos sistemas considerados. Verifica-se também que não é por vezes possível obter um comprimento de ligação molecular, podendo-se isso relacionar com o processo quântico variacional, mas também com o processo pelo qual se reduz a localidade dos Hamiltonianos considerados. Ainda assim, obtêm-se, pelo processo original proposto, comprimentos de ligação comparáveis aos obtidos com um tratamento Hartree-Fock para vários sistemas.The work in this thesis bridges two separate lines of previous work: on one hand, it stems from the work of the QUANTIC group, of the University of Barcelona, who actively research on quantum computing, and with whom part of the work developed in the context of this thesis was done, under an Erasmus internship. The recent work of the group includes Quantum Variational Algorithms (QVAs) and applications of QVAs and generally quantum computing to different problems. On the other hand, the 2008 publication by Bravyi, DiVincenzo, Loss and Terhal was a starting point for the development of this thesis's work; the methodology therein presented is fundamental in achieving the goal for this thesis: to develop a new, quantum device oriented, method for obtaining the geometric parameters of a molecule (or otherwise physical parameters) that result in the lowest possible energy, and that has low quantum computational requirements (in qubit quality and number). In the context of this goal, a significant part of the thesis's work effort was dedicated to building a quantum circuit simulator from scratch, to explore theoretical and technical bottlenecks in a "full-stack" approach to simulating Quantum Variational Algorithms.In section 1 we present material which constitutes the background of the thesis’s work, namely the Born-Oppenheimer approximation and second-quantization of a molecular Hamiltonian (section 1.1), and how we may then translate such a second-quantized Hamiltonian into a form that can be evaluated using a quantum computer (section 1.2); Quantum Variational Algorithms and their advantages in a Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) regime (section 1.3), and finally the Schrieffer-Wolff transformation (section 1.4). Sections 3 and 4 form the core of this thesis’s work, corresponding to the development "from scratch" of a C/Python library to simulate quantum circuits and quantum variational algorithms (named QOP; section 3) and the elaboration of an original method for molecular geometric parameter calculation, or generally minimal energy parameter determination for some parameterized Hamiltonian (sections 4 and 5).Finally, we apply the developed work to a few selected systems (H2 , HLi, O2), presenting and discussing the obtained results in, respectively, sections 6 and 7, where we show that the technique proposed to calculate energy minimizing bond lengths is successful in some test cases, but may fail due to either the way in which the locality of the Hamiltonian is reduced or due to the quantum variational process. Despite these shortcomings, we obtain, using the technique, bond lengths comparable to those obtained using a Hartree-Fock approach.Outro - Parte do trabalho da tese apresentada foi desenvolvido no âmbito de um estágio Erasmus+, que decorreu entre 01-09-2019 e 27-02-20202020-07-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/92475http://hdl.handle.net/10316/92475TID:202520374engMurça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Moraisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2022-05-25T05:53:07Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/92475Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:11:33.698683Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
Cálculos de Geometria Molecular Usando uma Nova Abordagem Quântica Variacional
title Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
spellingShingle Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
Murça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Morais
Computação Quântica
Estrutura Molecular
Simulador de Circuitos Quânticos
Computação Quântica no Regime Atual
Algoritmos Quânticos Variacionais
Quantum Computing
Molecular Structure
Quantum Circuit Simulator
Noisy Intermediate-Scale Quantum
Quantum Variational Algorithms
title_short Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
title_full Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
title_fullStr Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
title_full_unstemmed Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
title_sort Molecular Geometry Calculations Using a Novel Quantum Variational Approach
author Murça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Morais
author_facet Murça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Morais
author_role author
dc.contributor.author.fl_str_mv Murça, Miguel Eduardo de Vasconcelos Morais
dc.subject.por.fl_str_mv Computação Quântica
Estrutura Molecular
Simulador de Circuitos Quânticos
Computação Quântica no Regime Atual
Algoritmos Quânticos Variacionais
Quantum Computing
Molecular Structure
Quantum Circuit Simulator
Noisy Intermediate-Scale Quantum
Quantum Variational Algorithms
topic Computação Quântica
Estrutura Molecular
Simulador de Circuitos Quânticos
Computação Quântica no Regime Atual
Algoritmos Quânticos Variacionais
Quantum Computing
Molecular Structure
Quantum Circuit Simulator
Noisy Intermediate-Scale Quantum
Quantum Variational Algorithms
description Dissertação de Mestrado em Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
publishDate 2020
dc.date.none.fl_str_mv 2020-07-29
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10316/92475
http://hdl.handle.net/10316/92475
TID:202520374
url http://hdl.handle.net/10316/92475
identifier_str_mv TID:202520374
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799134012521840640