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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Quantum computing = automata, games, and complexity = Computação quântica: autômatos, jogos e complexidade
Title Alternative: Computação quântica : autômatos, jogos e complexidade
Author: Jeronimo, Fernando Granha, 1987-
Advisor: Moura, Arnaldo Vieira, 1950-
Abstract: Resumo: Desde seu surgimento, Teoria da Computação tem lidado com modelos computacionais de maneira matemática e abstrata. A noção de computação eficiente foi investigada usando esses modelos sem procurar entender as capacidades e limitações inerentes ao mundo físico. A Computação Quântica representa uma ruptura com esse paradigma. Enraizada nos postulados da Mecânica Quântica, ela é capaz de atribuir um sentido físico preciso à computação segundo nosso melhor entendimento da natureza. Esses postulados dão origem a propriedades fundamentalmente diferentes, uma em especial, chamada emaranhamento, é de importância central para computação e processamento de informação. O emaranhamento captura uma noção de correlação que é única a modelos quânticos. Essas correlações quânticas podem ser mais fortes do que qualquer correlação clássica estando dessa forma no coração de algumas capacidades quânticas que vão além do clássico. Nessa dissertação, nós investigamos o emaranhamento da perspectiva da complexidade computacional quântica. Mais precisamente, nós estudamos uma classe bem conhecida, definida em termos de verificação de provas, em que um verificador tem acesso à múltiplas provas não emaranhadas (QMA(k)). Assumir que as provas não contêm correlações quânticas parece ser uma hipótese não trivial, potencialmente fazendo com que essa classe seja maior do que aquela em que há apenas uma prova. Contudo, encontrar cotas de complexidade justas para QMA(k) permanece uma questão central sem resposta por mais de uma década. Nesse contexto, nossa contribuição é tripla. Primeiramente, estudamos classes relacionadas mostrando como alguns recursos computacionais podem afetar seu poder de forma a melhorar a compreensão a respeito da própria classe QMA(k). Em seguida, estabelecemos uma relação entre Probabilistically Checkable Proofs (PCP) clássicos e QMA(k). Isso nos permite recuperar resultados conhecidos de maneira unificada e simplificada. Para finalizar essa parte, mostramos que alguns caminhos para responder essa questão em aberto estão obstruídos por dificuldades computacionais. Em um segundo momento, voltamos nossa atenção para modelos restritos de computação quântica, mais especificamente, autômatos quânticos finitos. Um modelo conhecido como Two-way Quantum Classical Finite Automaton (2QCFA) é o objeto principal de nossa pesquisa. Seu estudo tem o intuito de revelar o poder computacional provido por memória quântica de dimensão finita. Nos estendemos esse autômato com a capacidade de colocar um número finito de marcadores na fita de entrada. Para qualquer número de marcadores, mostramos que essa extensão é mais poderosa do que seus análogos clássicos determinístico e probabilístico. Além de trazer avanços em duas linhas complementares de pesquisa, essa dissertação provê uma vasta exposição a ambos os campos: complexidade computacional e autômatos

Abstract: Since its inception, Theoretical Computer Science has dealt with models of computation primarily in a very abstract and mathematical way. The notion of efficient computation was investigated using these models mainly without seeking to understand the inherent capabilities and limitations of the actual physical world. In this regard, Quantum Computing represents a rupture with respect to this paradigm. Rooted on the postulates of Quantum Mechanics, it is able to attribute a precise physical notion to computation as far as our understanding of nature goes. These postulates give rise to fundamentally different properties one of which, namely entanglement, is of central importance to computation and information processing tasks. Entanglement captures a notion of correlation unique to quantum models. This quantum correlation can be stronger than any classical one, thus being at the heart of some quantum super-classical capabilities. In this thesis, we investigate entanglement from the perspective of quantum computational complexity. More precisely, we study a well known complexity class, defined in terms of proof verification, in which a verifier has access to multiple unentangled quantum proofs (QMA(k)). Assuming the proofs do not exhibit quantum correlations seems to be a non-trivial hypothesis, potentially making this class larger than the one in which only a single proof is given. Notwithstanding, finding tight complexity bounds for QMA(k) has been a central open question in quantum complexity for over a decade. In this context, our contributions are threefold. Firstly, we study closely related classes showing how computational resources may affect its power in order to shed some light on $\QMA(k)$ itself. Secondly, we establish a relationship between classical Probabilistically Checkable Proofs and QMA(k) allowing us to recover known results in unified and simplified way, besides exposing the interplay between them. Thirdly, we show that some paths to settle this open question are obstructed by computational hardness. In a second moment, we turn our attention to restricted models of quantum computation, more specifically, quantum finite automata. A model known as Two-way Quantum Classical Finite Automaton (2QCFA) is the main object of our inquiry. Its study is intended to reveal the computational power provided by finite dimensional quantum memory. We extend this automaton with the capability of placing a finite number of markers in the input tape. For any number of markers, we show that this extension is more powerful than its classical deterministic and probabilistic analogues. Besides bringing advances to these two complementary lines of inquiry, this thesis also provides a vast exposition to both subjects: computational complexity and automata theory
Subject: Computação quântica
Complexidade computacional
Teoria dos autômatos
Teoria da computação
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:IC - Tese e Dissertação

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