Caratterizzazione di una batteria quantistica e sua simulazione su piattaforma IBM

Abstract

La presente tesi si pone l’obiettivo di caratterizzare il funzionamento di una batteria quantistica formata da un sistema a due livelli. In questo dispositivo la fase di carica viene indotta mediante l’applicazione di un drive classico dipendente da tempo. Verranno investigati vari possibili profili per tale forzante al fine di minimizzare il tempo di carica, cioè il tempo necessario per passare da un dato stato iniziale del sistema (quale lo stato fondamentale o una generica sovrapposizione lineare) allo stato eccitato. Ciò sarà fatto tenendo opportunamente conto dei vincoli imposti dai parametri di realizzazione dei dispositivi reali.

Saranno riportati risultati teorici ottenuti attraverso opportune approssimazioni analitiche e studi numerici effettuati utilizzando il pacchetto Qiskit Dynamics per la simulazione del comportamento delle macchine quantistiche. Essi verranno comparati con misure reali effettuate su un quantum computer IBM modificando opportunamente il profilo del drive attraverso il pacchetto Qiskit Pulse per il controllo della dinamica di qubit. Un aspetto importante in questa direzione sarà la calibrazione dei dati forniti dalla macchina in modo tale da poter discriminare fra lo stato fondamentale e quello eccitato, caratterizzando di conseguenza tutti i possibili stati intermedi di interesse.

Considerando differenti condizioni iniziali verrà mostrato come già la più semplice piattaforma quantistica a disposizione, la macchina Armonk costituita da un singolo qubit superconduttivo nel regime di trasmone, presenti performance di carica in linea con batterie quantistiche di punta discusse recentemente in letteratura, senza alcun tipo di ottimizzazione. Questo lavoro rappresenta il primo esempio di simulazione di una batteria quantistica mediante dispositivi solitamente usati per applicazioni nel contesto della computazione quantistica e apre interessanti nuove prospettive in questo ambito di ricerca.

The aim of this thesis is to characterize the performance of a quantum battery composed by a two-level system. In this device the charging is induced by means of a time-dependent classical drive. Different profiles are investigated to minimize the charging time, namely the time needed to promote the system from the initial state (the ground state or a general quantum superposition states) to the excited state. The constraints imposed by the manufacturing parameters of real devices have been considered.

Theoretical results achieved through analytical approximations and numerical studies carried out using the Qiskit Dynamics package for simulating the behavior of quantum machines are reported. They are compared with real measurements obtained on an IBM quantum computer by properly modifying the drive profile through the Qiskit Pulse package for the control of qubit dynamics. An important aspect in this direction is the calibration of the data provided by the machine in such a way as to be able to discriminate between the ground state and the excited state, consequently characterizing all the possible intermediate states of interest.

Considering different initial conditions, it is shown how the simplest quantum platform available, the Armonk machine consisting of a single superconducting qubit in the transmon regime, presents charging performance in line with state-of-the-art quantum batteries recently discussed in the literature, without any kind of optimization. This work represents the first example of simulation of a quantum battery using devices usually used for applications in the context of quantum computing and opens interesting new perspectives in this field of research.