The Dean of Science Award honours Master’s students in the Faculty of Science who demonstrate outstanding performance. Speaking with the latest winner, IQC researcher Ryan Ferguson from the Department of Physics and Astronomy, we learned about his award-winning research.
Congratulations on your Dean of Science Award, Ryan. Let’s start off by talking about your Master’s thesis. What did you research?
My master’s research was on hybrid quantum simulations under Christine Muschik, a professor in the physics and astronomy department at IQC. Specifically, I had two projects, one in collaboration with Wolfgang Dür at University of Innsbruck, Karl Jansen at DESY, and Luca Dellantonio and Abdulrahim Al Balushi at IQC and the other in collaboration with Karl Jansen, Stefan Kuhn at University of Vienna, and Chris Wilson and Jinglei Zhang at IQC. For both projects, we were interested in performing hybrid quantum-classical simulations of high-energy quantum theories using a technique called a variational quantum eigensolver (VQE). VQEs are interesting because they allow us to make use of the advantages of quantum computers, even the early ones that we have today, while at the same time making up for their shortcomings using a classical computer. In these projects, we hoped to use VQEs in new and exciting ways to perform simulations that have never been done before.
In the first project, we performed a VQE using the measurement-based system of quantum computing, which is an alternative to the usual circuit model. Instead of manipulating an initial state by applying single- and multi-qubit gates to it and measuring it, in the measurement-based system the initial qubits are entangled with many auxiliary qubits, creating a highly entangled state called a graph state. By performing single-qubit measurements on the graph state, the states of the other qubits change and the unmeasured qubits at the end encode the output state. The measurement-based approach can have advantages over the circuit-based approach depending on the problem being investigated and the hardware it is running on, so we made use of those to design the first measurement-based VQE.
In the second project, we designed a VQE to find the ground state of the U(1)-Higgs model with a topological term in one dimension, which is an important model in high-energy physics. Topological terms are important because, in three dimensions, they give a possible explanation for the observed matter-antimatter imbalance in the universe, so by simulating a model with a topological term in 1D, we lay the groundwork for simulating the 3D model in the future. The VQE procedure we designed used Chris Wilson’s photonic platform as the quantum hardware, the first VQE to do so. As a result, our VQE could make use of the advantages this platform has over VQEs on other platforms.
What is the importance of your research?
In the measurement-based VQE project, we were able to design a VQE that can run on photonic hardware (as well as other types of hardware like superconducting qubits or trapped ions); normally VQEs cannot be done with photons due to the difficulty in performing gates in the circuit model. Also, by designing a custom graph state that was specific to the problem being simulated, our VQE was able to reach states not easily accessible by circuit-based VQEs and in a manner that had a low resource cost. We hope that this work paves the way for future measurement-based VQEs.
For the U(1)-Higgs project, we were successfully able to reach the ground state of the theory in different parameter regimes, observing what was predicted by theoretical studies. In the future, this simulation of a model with a topological term can lead to quantum simulations of the topological term in 3D, where its rich physics can be investigated. Additionally, we hope that this work will lead to future VQEs designed for Chris’ photonic platform, where its highly customizable and unique interactions can be beneficial for simulating some models.
What challenges did you face during your masters?
In both projects I needed to learn a lot before I could even get started. With the measurement-based project, the idea of measurement-based quantum computing was completely new to me, so I needed to work a lot to understand that. In the U(1)-Higgs project, it took some time to understand how Chris Wilson’s photonic platform worked and how we can get the most out of it for our VQE. There were a lot of different approaches we had to consider and a lot of dead-ends. I wouldn’t have been able to get through these projects without the help of others, in particular Christine Muschik, Luca Dellantonio, and Jinglei Zhang. I can’t thank them enough.
What does the Dean of Science Award mean to you?
I am extremely honoured to receive the Dean of Science award! I am happy that the physics community at University of Waterloo finds this research exciting and noteworthy.
What’s next for you?
In the future I’ll be looking for work outside of academia, somewhere in the private sector where I can hopefully put my analytical skills to good use. Fingers crossed!
Un chercheur de l’IQC remporte le prix du doyen de la Faculté des sciences
Le Prix du doyen de la Faculté des sciences récompense des étudiants à la maîtrise qui font preuve d’un rendement exceptionnel. En parlant avec le plus récent lauréat, Ryan Ferguson, chercheur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie, nous en avons appris davantage sur les travaux qui lui ont valu ce prix.
Félicitations Ryan pour l’obtention du Prix du doyen de la Faculté des sciences. Parlons d’abord de votre mémoire de maîtrise. Quel était l’objet de vos recherches?
Les recherches que j’ai effectuées dans le cadre de mes études de maîtrise portaient sur les simulations hybrides quantiques-classiques. J’ai travaillé sous la direction de Christine Muschik, professeure à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie. Plus précisément, j’ai travaillé sur 2 projets : l’un en collaboration avec Wolfgang Dür, de l’Université d’Innsbruck, Karl Jansen, de DESY, de même que Luca Dellantonio et Abdulrahim Al Balushi, de l’IQC; l’autre en collaboration avec Karl Jansen, Stefan Kuhn, de l’Université de Vienne, de même que Chris Wilson et Jinglei Zhang, de l’IQC. Dans les 2 cas, nous cherchions à effectuer des simulations hybrides quantiques-classiques de théories quantiques de haute énergie, en utilisant une technique de résolution de valeurs propres à l’aide d’un outil quantique variationnel (OQV). Les OQV sont intéressants parce qu’ils permettent d’exploiter les avantages des ordinateurs quantiques, même les ordinateurs primitifs dont nous disposons aujourd’hui, tout en contournant leurs lacunes à l’aide d’un ordinateur classique. Dans ces projets, nous espérons utiliser des OQV de manières nouvelles et prometteuses, pour effectuer des simulations qui n’ont jamais été réalisées auparavant.
Dans le premier projet, nous avons effectué une résolution de valeurs propres à l’aide d’un OQV fondé sur des mesures, au lieu du modèle traditionnel fondé sur des circuits. Alors que, dans un système fondé sur des portes, on manipule un état initial, avant de le mesurer, en appliquant des portes constituées d’un ou plusieurs qubits, dans un système fondé sur des mesures, les qubits initiaux sont intriqués avec de nombreux qubits auxiliaires, créant un état fortement intriqué appelé état de graphe. Lorsque l’on effectue des mesures d’un seul qubit de l’état de graphe, les états des autres qubits changent, et les qubits non mesurés au bout du compte codent l’état de sortie. Selon le problème étudié et le matériel employé, la méthode fondée sur des mesures peut avoir des avantages par rapport à la méthode fondée sur des circuits, et nous avons donc exploité ces avantages pour concevoir le premier OQV fondé sur des mesures.
Dans le second projet, nous avons conçu un OQV pour trouver l’état fondamental du modèle U(1) de Higgs avec un terme topologique à 1 dimension, qui constitue un modèle important en physique des hautes énergies. Les termes topologiques sont importants parce que, en 3 dimensions, ils fournissent une explication possible du déséquilibre observé entre matière et antimatière dans l’univers. Par conséquent, en simulant un modèle avec un terme topologique 1D, nous jetons les bases d’une simulation du modèle 3D dans l’avenir. L’OQV que nous avons conçu a été le premier à fonctionner dans l’environnement photonique de Chris Wilson. Notre OQV pourrait donc exploiter les avantages de cet environnement par rapport à d’autres environnements matériels.
Quelle est l’importance de vos recherches?
Dans le cas du projet d’OQV fondé sur des mesures, nous avons réussi à concevoir un OQV de résolution de valeurs propres pouvant fonctionner dans un environnement matériel photonique (tout comme dans des environnements de qubits supraconducteurs ou d’ions piégés). Habituellement, les OQV ne fonctionnent pas avec des photons, à cause de la difficulté de réaliser des portes dans le modèle fondé sur des circuits. De plus, avec la création d’un état de graphe propre au problème simulé, notre OQV a pu atteindre des états difficiles d’accès pour des OQV fondés sur des circuits, et ce à un faible coût en ressources. Nous espérons que ces travaux ouvriront la voie à de futurs OQV fondés sur des mesures.
Dans le cas du projet U(1) de Higgs, nous avons réussi à atteindre avec différents paramètres l’état fondamental prédit par les recherches théoriques. Dans l’avenir, cette simulation d’un modèle avec un terme topologique pourrait mener à des simulations quantiques d’un terme topologique en 3D, dont les riches implications physiques pourront être étudiées. De plus, nous espérons que ces travaux donneront lieu à d’autres OQV conçus pour l’environnement photonique de Chris Wilson, dont les interactions uniques et hautement adaptables peuvent être bénéfiques pour la simulation de certains modèles.
À quels défis avez-vous fait face au cours de vos études de maîtrise?
Pour les 2 projets, j’ai dû beaucoup apprendre avant même de pouvoir commencer à travailler. Dans le cas du projet fondé sur des mesures, la notion de calcul quantique fondé sur des mesures était totalement nouvelle pour moi, et j’ai donc dû faire beaucoup d’efforts pour comprendre cela. Dans le cas du projet U(1) de Higgs, il m’a fallu un certain temps pour comprendre le fonctionnement de l’environnement photonique de Chris Wilson et comment on pouvait en tirer le maximum pour notre OQV. Nous avons dû envisager un grand nombre de méthodes différentes, dont plusieurs menaient à des impasses. Je n’aurais pas pu réaliser ces projets sans l’aide d’autres personnes, en particulier Christine Muschik, Luca Dellantonio et Jinglei Zhang. Je ne les en remercierai jamais assez.
Que signifie pour vous l’obtention du Prix du doyen de la Faculté des sciences?
Je suis extrêmement honoré de recevoir ce prix! Je suis heureux que la communauté des physiciens de l’Université de Waterloo trouve ces recherches intéressantes et dignes de mention.
Qu’est-ce qui vous attend maintenant?
Dans l’avenir, je vais chercher du travail en dehors du milieu universitaire, quelque part dans le secteur privé où je pourrai, avec un peu de chance, faire bon usage de mes compétences analytiques. J’espère que tout ira pour le mieux!