Atmospheric and environmental physics processes simulation on quantum computers
Authors: Αρμάος Βασίλειος 
Published: May 2024

Αυτή η διατριβή διερευνά τις δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών να βελτιώσουν και να επιταχύνουν υπολογισμούς που απαιτούνται σε διάφορες προσομοιώσεις διεργασιών της Φυσικής της Ατμόσφαιρας και της Υπολογιστικής Χημείας, αξιοποιώντας τον αλγόριθμο Variational Quantum Eigensolver (VQE). Η εργασία αντιμετωπίζει τις υπολογιστικές προκλήσεις στην Φυσική της Ατμόσφαιρας, οι οποίες χαρακτηρίζονται από πολύπλοκα, μη γραμμικά συστήματα όπως το σύστημα Lorenz. H επίλυση αυτών των συστημάτων απαιτεί αυξημένη υπολογιστική ισχύ καθώς και δεδομένα υψηλής ανάλυσης για την ακριβή διατύπωση τους. Οι κλασικές υπολογιστικές μέθοδοι, αν και αδιαμφισβήτητα σημαντικές, συχνά αδυνατούν να αντιμετωπίσουν την πολυπλοκότητα και την κλίμακα των ατμοσφαιρικών υποδειγμάτων, οδηγώντας σε προσεγγίσεις μικρότερης ακρίβειας. Η εργασία αυτή αποτελείται από μια σειρά βελτιώσεων των μεθόδων της κβαντικής υπολογιστικής χημείας, θέτοντας τη βάση για την επέκταση αυτών των τεχνικών σε πολυπλοκότερα συστήματα όπως είναι οι ατμοσφαιρικές διεργασίες. Ξεκινά με μια διερεύνηση της κβαντικής υπολογιστικής χημείας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Unitary Coupled Cluster (UCC) σε έναν προσομοιωτή κβαντικού υπολογιστή, η οποία προετοιμάζει το έδαφος, επισημαίνοντας τους περιορισμούς των τρεχουσών τεχνικών κβαντικών υπολογισμών. Αυτή η βάση ανοίγει το δρόμο για την εισαγωγή του Adaptive Derivative-Assembled Pseudo-Trotter VQE (ADAPT-VQE), μιας βελτιωμένης εκδοχής που κατασκευάζει κβαντικά κυκλώματα με επαναληπτικό τρόπο, βελτιστοποιώντας την απόδοση του VQE, προσθέτοντας επιλεκτικά διεγέρσεις με βάση τις εξελισσόμενες ανάγκες της προσομοίωσης. Περαιτέρω βελτίωση παρουσιάζεται μέσω του αλγορίθμου Qubit Excitation Based ADAPT-VQE (QEB-ADAPT-VQE), ο οποίος βελτιστοποιεί την κβαντική υπορουτίνα του VQE, κάνοντάς την να συγκλίνει ταχύτερα και μειώνοντας το μέγεθος του κυκλώματος, ενισχύοντας έτσι την πρακτικότητα του VQE. Επιπλέον, ο Parabolic Optimizer εισάγεται ώστε να βελτιώσει την κλασική υπορουτίνα του VQE, μειώνοντας περαιτέρω την υπολογιστική πολυπλοκότητά του. Το τελικό αντικείμενο της διατριβής είναι η εφαρμογή του VQE στο σύστημα Lorenz, ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αμοσφαιρικού υποδείγματος. Αντιμετωπίζοντας τη μη ερμιτιανή φύση του Ιακωβιανού πίνακα του συστήματος και υπολογίζοντας αποτελεσματικά τις ιδιοτιμές του, αυτή η εργασία όχι μόνο παρουσιάζει την εφαρμογή του VQE σε πολύπλοκα, χαοτικά συστήματα, αλλά διευρύνει επίσης τις εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών σε νέα πεδία της επιστήμης και της μηχανικής.Αυτή η διατριβή όχι μόνο διευρύνει τα όρια του VQE αλλά χαράσει επίσης μια καινοτόμο οδό για την εφαρμογή των κβαντικών υπολογιστών στην Φυσική της Ατμόσφαιρας, προσφέροντας μια νέα προοπτική για την αντιμετώπιση της εγγενούς πολυπλοκότητας και της δυσκολίας προγνωσιμότητας των ατμοσφαιρικών διεργασιών. Η ενοποίηση των κβαντικών υπολογιστικών τεχνικών με τα παραδοσιακά υποδείγματα της Φυσικής της Ατμόσφαιρας, ανοίγει νέους δρόμους για έρευνα, υποσχόμενη ακριβέστερες προγνώσεις και βαθύτερη κατανόηση της δυναμικής συμπεριφοράς του καιρού, του κλίματος και του εν γένει ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος.