Íons aprisionados como plataforma para computação quântica: aprendizado de máquina quântica em variáveis contínuas e implementação de algoritmos quânticos

dc.contributor.advisor1Villas-Bôas, Celso Jorge
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5700887540085418
dc.contributor.authorRicardo, Alexandre Cesar
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/7244158403962058
dc.contributor.refereeFritsch, Amilson
dc.contributor.refereeVillas-Bôas, Celso Jorge
dc.contributor.refereeLima, Emanuel Fernandes de
dc.contributor.refereeLima, Nathan Willig
dc.contributor.refereeMatias, Paulo
dc.contributor.refereeLima, Matheus Paes
dc.contributor.refereeAlmeida, Norton Gomes de
dc.contributor.refereeRabelo, Wilson Ricardo Matos
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/8127302360186472
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/5700887540085418
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7845605890195115
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/9218293771652459
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/3792055796261017
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/1835846543912999
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/3182841849332242
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7978676206209168
dc.date.accessioned2026-08-21T13:02:53Z
dc.date.issued2026-06-25
dc.description.abstractThis work initially investigates the use of trapped ions as a platform for quantum computing in both the digital and continuous-variable paradigms. In the context of continuous variables, we use the vibrational modes of the ions as bosonic degrees of freedom and show how different choices of frequencies, detunings, and phases of the applied fields enable the realization of single- and two-mode Gaussian operations, as well as non-Gaussian operations of the \emph{trisqueezing} and Kerr types. These operations are numerically validated by comparing the evolution produced by the full interaction Hamiltonian with the ideal target states. In particular, we incorporate the dependence of the Rabi frequency on the phonon number into the description of the Kerr interaction and employ this operation as the non-Gaussian element of a quantum neural network applied to classical function regression tasks and to the variational preparation of unstructured quantum states in the Fock basis. In the context of digital quantum computing, we formulate a product allocation problem for gravity-flow racks as an unconstrained quadratic binary optimization problem, map it onto an Ising-type Hamiltonian, and implement a version of the Quantum Approximate Optimization Algorithm adapted to the operations available on a trapped-ion processor, thereby enabling an analysis of the current possibilities and limitations of variational algorithms applied to an industrial problem. In addition to their application to computing, we investigate trapped ions as a platform for the controlled study of physical phenomena. In this context, we analyze an interference mechanism between interactions produced by electromagnetic and mechanical waves, mediated by the electronic and vibrational degrees of freedom of the ions. We show how the relative phase between these interactions can enhance or cancel electronic population transfer and extend this description to ion chains subjected to propagating mechanical pulses. This study highlights the role of the ion as a common material system capable of coupling waves of different natures and allows interference to be discussed in terms of the transition amplitudes produced in the system responsible for their detection. Thus, the contributions of this thesis encompass both the development and application of quantum operations and algorithms and the use of trapped ions to investigate interaction and interference phenomena in controlled quantum systems.eng
dc.description.resumoEste trabalho investiga, inicialmente, a utilização de íons aprisionados como plataforma para computação quântica nos paradigmas digital e de variáveis contínuas. No contexto de variáveis contínuas, utilizamos os modos vibracionais dos íons como graus de liberdade bosônicos e mostramos como diferentes escolhas de frequências, dessintonias e fases dos campos aplicados permitem obter operações gaussianas de um e de dois modos, além de operações não gaussianas dos tipos trisqueezing e Kerr. Essas operações são validadas numericamente por meio da comparação entre a evolução produzida pelo Hamiltoniano completo de interação e os estados alvo ideais. Em particular, incorporamos à descrição da interação Kerr a dependência da frequência de Rabi com o número de fônons e utilizamos essa operação como elemento não gaussiano de uma rede neural quântica aplicada a tarefas de regressão de funções clássicas e de preparação variacional de estados quânticos não estruturados na base de Fock. No contexto da computação quântica digital, formulamos um problema de alocação de produtos em prateleiras gravitacionais como uma otimização binária quadrática sem restrições, realizamos seu mapeamento em um Hamiltoniano do tipo Ising e implementamos uma versão do Algoritmo Quântico de Otimização Aproximada adaptada às operações disponíveis em um processador de íons aprisionados, permitindo analisar as possibilidades e limitações atuais de algoritmos variacionais aplicados a um problema industrial. Além de sua aplicação à computação, investigamos os íons aprisionados como plataforma para o estudo controlado de fenômenos físicos. Nesse contexto, analisamos um mecanismo de interferência entre interações produzidas por ondas eletromagnéticas e mecânicas, mediado pelos graus de liberdade eletrônicos e vibracionais dos íons. Mostramos como a fase relativa entre essas interações pode realçar ou cancelar transferências de população eletrônica e estendemos essa descrição para cadeias de íons submetidas a pulsos mecânicos propagantes. Esse estudo evidencia o papel do íon como um sistema material comum capaz de acoplar ondas de naturezas distintas e permite discutir a interferência em termos das amplitudes de transição produzidas no sistema que realiza sua detecção. Dessa maneira, as contribuições da tese abrangem tanto o desenvolvimento e a aplicação de operações e algoritmos quânticos quanto a utilização de íons aprisionados para investigar fenômenos de interação e interferência em sistemas quânticos controlados.eng
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.identifier.citationRICARDO, Alexandre Cesar. Íons aprisionados como plataforma para computação quântica: aprendizado de máquina quântica em variáveis contínuas e implementação de algoritmos quânticos. 2026. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24563.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24563
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGF
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectComputação Quânticapor
dc.subjectÍons Aprisionadospor
dc.subjectAlgoritmos Quânticospor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA GERAL::FISICA CLASSICA E FISICA QUANTICA; MECANICA E CAMPOS
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleÍons aprisionados como plataforma para computação quântica: aprendizado de máquina quântica em variáveis contínuas e implementação de algoritmos quânticospor
dc.title.alternative“Ion traps as a platform for quantum computing: quantum machine learning with continuous variables and implementation of quantum algorithmseng
dc.typeTese

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