Aplicación

Algoritmos genéticos cuánticos, variacionales y adiabáticos y sus aplicaciones

Quantum Information Science and Technology (QUINST)

Descripción del grupo:

La mecánica cuántica está en el corazón de nuestra tecnología y economía (el láser y el transistor son dispositivos cuánticos), pero su potencial completo está lejos de realizarse. Los recientes avances tecnológicos en óptica, nanociencia e ingeniería permiten a los experimentadores crear estructuras artificiales o someter sistemas microscópicos y mesoscópicos a nuevas condiciones manipulables en las que los fenómenos cuánticos juegan un papel fundamental.

Las tecnologías cuánticas explotan estos efectos con fines prácticos. La ciencia cuántica tiene como objetivo descubrir, estudiar y controlar los efectos cuánticos a un nivel fundamental. Estos son los dos lados de un círculo virtuoso: las nuevas tecnologías conducen al descubrimiento y estudio de nuevos fenómenos que conducirán a nuevas tecnologías.

Nuestro objetivo es controlar y comprender los fenómenos cuánticos en una intersección multidisciplinar de Información Cuántica, Óptica Cuántica y átomos fríos, Control Cuántico, Espintrónica, Metrología Cuántica, Interferometría Atómica, Qubits Superconductores y Circuito QED y Fundamentos de Mecánica Cuántica.

El equipo QUINST está compuesto por  Iñigo L. Egusquiza y Mikel Sanz (investigadores principales), Xi Chen, Gonzalo Muga, Enrique Rico y Liano Wu.

Descripción de la actividad:

Esta actividad se focaliza en las tareas necesarias para caracterizar y mejorar algoritmos y procesos cuánticos y buscar sus aplicaciones en procesos industriales, finanzas, logística, IA, química cuántica, entre otros. Consta de las siguientes tareas:

1. Desarrollo de herramientas matemáticas para el análisis de las propiedades de algoritmos cuánticos. En particular, se estudiará el uso de teoría de operadores para acotar errores en algoritmos cuánticos aproximados y de la teoría de canales cuánticos para analizar convergencia de algoritmos heurísticos, como algoritmos genéticos cuánticos.

2. Análisis de paradigmas alternativos de computación cuántica en procesadores NISQ frente a errores de control, de coherencia, cross-talk, etc. En este contexto, se estudiará el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos tipo Shor o Grover “autoprotegidos”, así como simulaciones y software de IA cuántica más resistentes a errores.

3. Optimización y aceleración de algoritmos tipo “adiabático” mediante técnicas de control cuántico o “atajos de adiabaticidad”, introduciendo métodos iterativos y adaptativos, que solamente utilizan el conocimiento de los Hamiltonianos inicial y final, y técnicas de inteligencia artificial y aprendizaje de máquina para optimizar la rapidez y la robustez frente a errores.

4. Desarrollo de aplicaciones industriales y casos de uso de algoritmos cuánticos, particularmente en finanzas, logística, inteligencia artificial, y química cuántica, entre otros.

5. Aplicación de algoritmos cuánticos (libres de problemas de signo y otras dificultades de la computación clásica) a la simulación de modelos de interés en física nuclear y de alta energía. En concreto, problemas de muchos cuerpos fuertemente correlacionados con grados de libertad gauge dinámicos abelianos y no abelianos y aplicarlos al estudio de las teorías de gauge.

Resultados

García-Azorín, P.; Cárdenas-López, F. A.; Huber, H. B. P.; Romero, G.; Werninghaus, M.; Motzoi, F.; Filipp, S.; Sanz, M. (Ed.)

Robust multi-mode superconducting qubit designed with evolutionary algorithms Working paper

2025.

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Rodriguez-Grasa, P.; Ban, Y.; Sanz, M.

Neural quantum kernels: Training quantum kernels with quantum neural networks Artículo de revista

En: Physical Review Research, vol. 7, iss. 2, no 23269 , 2025.

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Gonzalez-Conde, J.; Lewis, D.; Bharadwaj, S. S.; Sanz, M.

Quantum Carleman linearization efficiency in nonlinear fluid dynamics Artículo de revista

En: Physical Review Research, vol. 7, iss. 2, no 23254, 2025.

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Garcia-de-Andoin, M.; Álvarez-Ahedo, A.; Franco-Rubio, A.; Sanz, M.

Impact and mitigation of Hamiltonian characterization errors in digital-analog quantum computation Working paper

2025.

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S. Ding Romero, Y.; Chen, Xi.; Ban, Y.

Scrambling in the charging of quantum batteries Artículo de revista

En: High Energy Physics, vol. 2025, no 21, 2025.

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Navarro, J.; Ravell Rodríguez, R.; Sanz, M.

Existence of unbiased estimators in discrete quantum systems Artículo de revista

En: Physical Review Research, vol. 7, 2025.

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Gonzalez-Raya, T.; Mena, A.; Lazo, M.; L., Leggio; Novoa, D.; Sanz, M.

Entanglement transfer during quantum frequency conversion in gas-filled hollow-core fibers Artículo de revista

En: APL Photonics, vol. 10, 2025.

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Biswas, S.; Rico, E.; Grass, T.

Ring-exchange physics in a chain of three-level ions Artículo de revista

En: Quantum , 2025.

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Rodriguez-Grasa, P.; Ibarrondo, R.; Gonzalez-Conde, J.; Ban, Y.; Rebentrost, P.; Sanz, M.

Quantum approximated cloning-assisted density matrix exponentiation Artículo de revista

En: Physical Review Research, vol. 7, 2025.

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Rodriguez-Grasa, P.; Farzan-Rodríguez, R.; Novelli, G.; Ban, Y.; Sanz, M.

Satellite image classification with neural quantum kernels Artículo de revista

En: Machine Learning: Science and Technology, vol. 6, no 1, 2025.

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Lazar, J.; Giner Olavarrieta, S.; Gatti, G.; Argüelles, C.; Sanz, M.

New Pathways in Neutrino Physics via Quantum-Encoded Data Analysis Working paper

2024.

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Espinosa, E. M.; Wu, L. A.

Study on quantum thermalization from thermal initial states in a superconducting quantum computer Working paper

2024.

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Sun, Y.; Wu, L. A.

Quantum search algorithm on weighted databases Working paper

2024.

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Wang, Z. M.; Wu, S. L.; Byrd, M. S.; Wu, L. A.

Going beyond quantum Markovianity and back to reality: An exact master equation study Working paper

2024.

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Mariella, N.; Murphy, T.; Di Marcantonio, F.; Najafi, K.; Vallecorsa, S.; Zhuk, S.; Rico, E.

Order Parameter Discovery for Quantum Many-Body Systems Working paper

Preprint, 2024.

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Tang, J.; Xu, R.; Ding, Y.; Xu, X.; Ban, Y.; Yung, M. H.; Pérez-Obiol, A.; G. Chen Platero, Xi.

Exploring ground states of Fermi-Hubbard model on honeycomb lattices with counterdiabaticity Artículo de revista

En: Quantum Materials , vol. 9, no 87, 2024.

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Bottarelli, A.; Garcia de Andoin, M.; Chandarana, P.; Paul, K.; Chen, X.; Sanz, M.; Hauke, P.

Symmetry-enhanced Counterdiabatic Quantum Algorithm for Qudits Working paper

2024.

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Pranav, C.; Koushik, P.; Garcia-de-Andoin, M.; Ban, Y.; Sanz, M.; Chen, X.

Photonic counterdiabatic quantum optimization algorithm Artículo de revista

En: Communications Physics, no 315, 2024, ISBN: 2399-3650.

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P. Koushik Chandarana, P.; Kasturi Ranjan, S.; Chen, X.; Del Campo, A.

Lyapunov Controlled Counterdiabatic Quantum Optimization Working paper

Preprint, 2024.

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Ferreiro-Vélez, J.; Iriarte-Zendoia, I.; Ban, Y.; Chen, Xi.

Shortcuts for Adiabatic and Variational Algorithms in Molecular Simulation Working paper

Preprint, 2024.

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Acuaviva, A.; Aguirre, D.; Peña, R.; Sanz, M.

Benchmarking Quantum Computers: Towards a Standard Performance Evaluation Approach Working paper

2024.

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Ding, Y.; Ban, Y.; Sanz, M.; Martín-Guerrero, J. D.; Chen, X.

Quantum Active Learning Working paper

2024.

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Gonzalez-Raya, T.; Pirandola, S.; Sanz, M.

Satellite-based entanglement distribution and quantum teleportation with continuous variables Artículo de revista

En: Communications Physics, vol. 7, no 126, 2024, ISBN: 2399-3650.

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Gonzalez-Conde, J.; Watts, T. W.; Rodriguez-Grasa, P.; Sanz, M.

Efficient quantum amplitude encoding of polynomial functions Artículo de revista

En: Quantum, vol. 8, pp. 1297, 2024, ISBN: 2521-327X.

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Garcia-de-Andoin, M.; Saiz, A.; Perez-Fernandez, P.; Lamata, L.; Oregi, I.; Sanz, M.

Digital-analog quantum computation with arbitrary two-body Hamiltonians Artículo de revista

En: Physical Review Research, vol. 6, iss. 1, 2024, ISBN: 2643-1564.

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Cea, M.; Grossi, M.; Monaco, S.; Rico, E.; Tagliacozzo, L.; Vallecorsa, S.

Exploring the Phase Diagram of the quantum one-dimensional ANNNI model Working paper

2024.

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Xu, R.; Tang, J.; Chandarana, P.; Paul, K.; Xu, X.; Yung, M.; Chen, X.

Benchmarking hybrid digitized-counterdiabatic quantum optimization Artículo de revista

En: Physical Review Research, vol. 6, iss. 1, 2024, ISBN: 2643-1564.

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Ding, Y.; Chen, Xi.; Magdalena-Benedito, R.; J Martín-Guerrero, D.

Closed-loop control of a noisy qubit with reinforcement learning Artículo de revista

En: Machine Learning: Science and Technology, vol. 4, iss. 2, 2023, ISBN: 2632-2153.

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Ding, Y.; Gonzalez-Conde, J.; Lamata, L.; Martín-Guerrero, J. D.; Lizaso, E.; Mugel, S.; Chen, X.; Orús, R.; Solano, E.; Sanz, M.

Toward Prediction of Financial Crashes with a D-Wave Quantum Annealer Artículo de revista

En: Entropy, vol. 25, no 2, pp. 323, 2023, ISBN: 1099-4300.

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