Quantum Resources in Quantum Technologies: From Quantum Optimization to Many-Body Physics

Significant progress has been made in quantum technologies over the past decade. Despite this success, a central question remains: to what extent quantum resources are being exploited. This question is crucial not only for benchmarking quantum systems but also to unlock their full potential. This thesis analyses the role of quantum resources spanning quantum optimization algorithms to quantum many-body systems. First, we show how squeezing establishes a natural connection between the Quantum Approximate Optimization Algorithm and quantum metrology, revealing the role of quantum correlations and providing a benchmarking method for quantum-optimization devices. Further, we study multipartite entanglement in quantum optimization and demonstrate its presence on quantum hardware. However, entanglement alone is insufficient for a quantum advantage, as stabilizer states—though highly entangled—are classically simulable. We therefore study the role of nonstabilizerness in quantum optimization. Building on such resources, we further examine how they manifest in disordered systems. We show the emergence of non-Markovianity in disorder-averaged dynamics. Moreover, we examine complexity-resources across chaotic to integrable regimes in random-matrix models, highlighting the need for a multifaceted approach in quantum simulation. These investigations provide a deeper understanding of quantum technologies, from optimization to simulation, and lay the foundation for future developments toward quantum advantage.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Trento

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• Santra, Gopal Chandra

Contributors dc:contributor

• Hauke, Philipp Hans Juergen
• Carusotto, Iacopo

• Negli ultimi dieci anni sono stati compiuti notevoli progressi nelle tecnologie quantistiche. Nonostante questi successi, rimane una domanda centrale: in che misura le risorse quantistiche vengono effettivamente sfruttate? Tale quesito è cruciale non solo per il benchmarking dei sistemi quantistici, ma anche per sbloccarne appieno il potenziale. Questa tesi analizza il ruolo delle risorse quantistiche in contesti che spaziano dagli algoritmi di ottimizzazione quantistica ai sistemi a molti corpi. In primo luogo, mostriamo come lo squeezing stabilisca una connessione naturale tra l’algoritmo di ottimizzazione approssimata quantistica (QAOA) e la metrologia quantistica, rivelando il ruolo delle correlazioni quantistiche e fornendo al contempo un metodo di benchmarking per i dispositivi di ottimizzazione quantistica. Successivamente, studiamo l’entanglement multipartito nell’ottimizzazione quantistica e ne dimostriamo la presenza nell’hardware quantistico. Tuttavia, l’entanglement da solo non è sufficiente a garantire un vantaggio quantistico: gli stati stabilizzatori, infatti, pur essendo altamente entangled, sono simulabili in modo classico. Analizziamo quindi il ruolo della non-stabilizzabilizzazione nell’ottimizzazione quantistica. Partendo da queste risorse, ci spingiamo oltre a esaminarne le manifestazioni nei sistemi disordinati. Mostriamo l’emergere della non-markovianità nelle dinamiche mediate sul disordine e analizziamo le risorse di complessità attraverso regimi caotici e integrabili in modelli a matrici aleatorie, mettendo in luce la necessità di un approccio multiforme alla simulazione quantistica. Queste indagini forniscono una comprensione più approfondita delle tecnologie quantistiche, dall’ottimizzazione alla simulazione, e pongono le basi per futuri sviluppi verso il pieno raggiungimento del vantaggio quantistico.

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:Creative commons
• license uri:http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Language dc:language

eng

Identifier

http://dx.doi.org/10.15168/11572_463715
10.15168/11572_463715

OAI identifier oai:identifier

oai:iris.unitn.it:11572/463715