Optimal quantum multi-parameter estimation and application to dipole- and exchange-coupled qubits
我们考虑的问题，量子多参数估计与实验约束，并制定的凸优化方面的解决方案。具体来说，我们概述了一种有效的方法来确定估计量子过程的多个未知参数的最佳策略，并将此方法应用于一个现实的例子。例子是两个电子自旋量子比特通过偶极和交换相互作用耦合，耦合参数未知-明确地说，与两个量子比特相关的位置矢量和交换相互作用的大小是未知的。这种耦合哈密顿量产生一个幺正演化，当与任意单量子比特操作相结合时，产生一组通用的量子门。然而，未知的参数必须精确地知道，以产生高保真门。我们使用点估计方差的Cramér-Rao界来构造最优实验系列来估计这些自由参数，并对最优实验配置进行了完整的分析。我们的方法转化为一个凸优化的约束最优参数估计问题是强大的，广泛适用于其他系统。
2009-06-04 quant-ph
Optimal quantum resource generation in coupled transmons immersed in Markovian baths
该研究在 Markovian 玻色热库模型下分析电容耦合多能级 transmon 电路，通过改变耦合强度并考察零资源初始态，确定实现最大纠缠生成能力的最优可分态。
2023-03-28 quant-ph
Efficient Generation of the Triplet Bell State Between Coupled Spins Using Transitionless Quantum Driving and Optimal Control
考虑z方向上一对具有Ising相互作用的耦合自旋，研究了有效产生三重态Bell态的问题。本文首先分析了无跃迁量子驱动绝热性方法，指出了它在可用持续时间趋于零时的局限性。在这个短的时间限制，我们明确地计算方法的保真度，并发现它是远远低于单位，无论多大成为可用的控制领域。我们发现，有一个下限的必要时间来完成这一转移，设置自旋之间的相互作用的有限值。然后，我们使用数值最优控制，找到bang-bang脉冲序列，以及平滑控制，它可以在尽可能短的时间内产生高水平的目标贝尔态。本工作的结果不仅限于自旋系统，但预计也可以在其他物理系统中找到应用，这些系统可以被建模为相互作用的自旋，例如耦合量子点。
2018-12-14 quant-ph
Time-optimal CNOT between indirectly coupled qubits in a linear Ising chain
我们给出了三个量子比特的线性自旋链中间接耦合量子比特1和3之间的纠缠门的时间最优合成的解析解，其中三个量子比特受到具有相等耦合$J$的伊辛哈密顿相互作用加上作用于中间量子比特的局部磁场。可用的能量是固定的，但我们放松了作用于单个量子比特的瞬时酉操作的标准假设。执行与间接耦合的量子位1和3之间的$\mathrm{CNOT}(1, 3)$等效的模局部么正操作的纠缠门所需的时间是$T=\sqrt{3/2} J^{-1}$，即，比基于类似的哈密顿量和具有零时间成本的局部么正的假设的先前估计快。此外，在量子位3的Hlibert空间中执行简单的Walsh-Hadamard旋转表明，$\mathrm{CNOT}^{\pm}(1, 3)$的时间最优合成（当控制量子位1处于状态$\ket{0}$时，其充当身份，而如果控制量子位处于状态$\ket{1}$，则目标量子位3被翻转为$\ket{\pm}\rightarrow \ket{\mp}$）也需要相同的时间$T$。
2010-12-01 quant-ph
Generating pure single-photon states via spontaneous four-wave mixing in a system of coupled microresonators
基于耦合环形微谐振器系统中的自发四波混频，提出了一种片上单光子源的优化设计方案，该方案提供了双光子场的频率不相关联合谱幅，从而产生纯单光子预示态.提出了一种通过优化系统的受控光谱参数来抑制负色散效应的简单方法。结果表明，对于给定的泵谱线宽度，最佳耦合参数与泵脉冲的最佳谱宽相结合，可以获得最高纯度的预示光子。
2018-08-13 quant-ph
Exploring the limits of the generation of non-classical states of spins coupled to a cavity by optimal control
我们研究了通过自旋的集体驱动耦合到一个公共腔的自旋的非经典态的产生。我们提出了一种控制策略，使用专门设计的一系列短相干和压缩脉冲，这具有实验上可实现的最先进的技术的关键优势。控制序列的参数是通过优化算法找到的。我们考虑两个和四个自旋的情况下，目标是达到一个明确的目标状态或状态最大化的非经典性的措施。讨论了腔阻尼和自旋偏移对非经典态产生的影响。我们还探讨了压缩场在多大程度上有助于提高控制过程的效率。
2022-06-17 quant-ph
Preservation of dynamics in coupled cavity system using second order nonlinearity
我们研究了两个耦合腔，每个腔中有一个二能级系统，其中一个腔中有二阶非线性过程。引入一个谐波的时间依赖于非线性耦合是用于保存的动态。据观察，即使保存期是独立的初始状态，保存的动力学依赖于初始状态。我们计算了冯诺伊曼熵和互信息来研究子系统之间的纠缠。由此发现，含时耦合也保持了系统中产生的纠缠。
2019-09-17 quant-ph
Optimal control of interacting quantum systems based on the first-order Magnus approximation: Application to multiple dipole-dipole coupled molecular rotors
我们开发了一种方法来执行近似最优控制模拟量子系统的多个相互作用的自由度。在相互作用图中采用一阶Magnus近似建立量子动力学模型，其中不同自由度之间的相互作用被视为微扰。我们提出了一个数值方法来实现这种近似，它利用了零阶时间演化算子的可分性和常见相互作用的成对性质，以降低计算成本。一阶马格努斯近似的这一提法是适合于与无梯度的方法相结合的控制领域的优化，为此，我们采用了随机爬山算法。相关的计算成本进行了分析，并与大N限制的精确模拟。对于数值例子，我们进行近似的最优控制模拟系统的两个和三个偶极偶极耦合分子转子的影响下的全球控制领域。对于双转子系统，我们优化领域的方向和纠缠控制目标。对于三转子系统，我们优化了磁场，使转子在相同方向和相反方向上定向。
2018-11-30 quant-ph
One-second coherence for a single electron spin coupled to a multi-qubit nuclear-spin environment
单电子自旋耦合到多个核自旋为量子传感和量子网络提供了有前途的多量子比特寄存器。可获得的控制水平取决于电子自旋能够选择性地与周围的核自旋耦合和解耦的程度。在这里，我们实现了一个相干时间超过一秒的单电子自旋通过去耦序列定制其微观核自旋环境。我们首先使用电子自旋来探测环境，这是由7个单独的和6对耦合的碳13自旋准确描述的。我们开发了碳-13对的初始化、控制和读出，以便直接揭示它们的原子结构。然后，我们利用这一知识，通过小心地避免不必要的相互作用，将量子态存储超过一秒。这些结果为复杂多自旋系统的量子传感提供了原理证明，并为具有长相干时间的多量子比特量子寄存器提供了机会。
2018-01-03 quant-ph
Reshaping coupled bosonic networks: A bipartite-graph framework for optimal quantum excitation transfer
Hunan Normal University（湖南师范大学）；RIKEN（理化学研究所）
本文提出二分图框架表征耦合玻色网络的量子激发转移，揭示转移效率对网络构型与参数的依赖，发现暗模效应会降低转移效率，为相关领域网络设计优化提供新视角。
2026-08-12 quant-ph
Fidelity of optimally controlled quantum gates with randomly coupled multiparticle environments
本文研究了在相互作用二能级粒子模型下对高保真度量子门进行最优控制的可行性。一个粒子（量子比特）充当量子信息处理器，其演化由依赖于时间的外部场控制。其他粒子不受直接控制，并作为一个有效的环境，耦合到它是退相干的来源。控制目标是在存在强环境诱导的退相干的情况下并且在对控制场的物理激励限制下生成目标单量子比特门。研究发现，环境粒子之间的相互作用对门保真度的影响可以忽略不计，并且不需要额外调整控制场。另一个有趣的结果是，最佳控制的量子门对量子位环境和环境间耦合强度的随机变化具有显著的鲁棒性。这些研究结果表明，量子信息系统的管理在一个非常精确和具体的方式，特别是当动力学的复杂性加剧了固有的不确定性环境耦合的最优控制的效用。
2007-12-18 quant-ph
Optimal control of a qubit coupled to a non-Markovian environment
在固态中实现量子计算的一个核心挑战是将量子位与材料的固有噪声解耦。我们研究了量子门在一个典型的非马尔可夫模型中的实现：一个单量子比特耦合到一个暴露在热浴中的两能级系统。我们系统地搜索最佳脉冲使用的新的开放系统的梯度上升脉冲工程（GRAPE）算法的推广。我们表明，并解释，该模型的已知的最佳偏置点旁边，有最佳的形状，重新集中不需要的条款的哈密顿。我们研究了由退相干性质设置的控制的局限性。这可以导致在恶劣环境中量子操作的显着改进。
2008-12-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal rectification by strongly coupled spins
本文研究了一对强耦合自旋中的热输运。特别是，我们提出了一个最佳整流条件，即，在一个方向上的热量流动和在相反方向上的完全隔离。我们表明，强耦合的形式主义是必要的正确描述热流在很宽的参数范围内，包括中度到低耦合。我们提出了一种情况下，强耦合形式主义预测最佳整流，而唯象的方法预测没有热流在任何方向上，对于相同的参数值。
2014-04-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Optimal control of non-Markovian dynamics in a single-mode cavity strongly coupled to an inhomogeneously broadened spin ensemble
量子力学自旋的集合为量子存储器提供了一个有前途的平台，但正确的功能需要精确控制不可避免的系统缺陷。我们提出了一个有效的控制方案的自旋系综强耦合到一个单模腔的基础上的一组Volterra方程依赖于弱的经典控制脉冲。我们的方法的可行性证明在明确的存储和读出序列，将作为实现更苛刻的全量子力学最优控制方案的起点。
2017-10-17 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Optimal Control of Coupled Josephson Qubits
量子最优控制理论应用于两个和三个耦合约瑟夫森电荷量子比特。结果表明，通过使用整形脉冲，可以获得对于两个量子比特具有> 0.99999的迹保真度的CNOT门，并且即使当包括更高的电荷态时，泄漏也低于1%。然而，所需的时间只有开创性实验的五分之一[T。Yamamoto等人，Nature 425（2003），941]，对于其他相同的参数。控制具有回文平滑的时间过程，可由几个谐波的叠加表示。我们概述了产生这些成形脉冲的方案，如简单的网络合成。这种方法很容易推广到更大的系统，如在三个线性耦合的电荷量子位中快速实现TOFFOLI的门所示。因此，可以预见，这种方法将在有限自由度系统的相干量子控制中找到广泛的应用，其动力学是李代数封闭的。
2005-04-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal control for fast and high-fidelity quantum gates in coupled superconducting flux qubits
我们应用基于Krotov方法的量子最优控制理论，实现了单量子位$X$和$Z$门以及两量子位CNOT门，用于固定量子位跃迁频率和固定非对角量子位-量子位耦合的感应耦合超导磁通量子位.我们的方案具有其他直接耦合方案的相同优点，不需要额外的耦合器支路和控制线。所需的控制线仅用于操纵各个量子位（例如，施加在每个量子位上的时间相关的磁通量或场）。量子位在最佳相干点处操作，并且门操作时间（单量子位门$< 1$ ns; CNOT门$\sim 2$ ns）比对应的量子位退相干时间短得多。CNOT门或其他一般的量子门可以在脉冲序列的单次运行中实现，而不是通过复合脉冲序列被分解成串联的若干单量子比特和一些纠缠的双量子比特操作。通过我们的方案构建的量子门都具有非常高的保真度（非常低的误差），因为我们的最优控制方案考虑了固定的量子比特失谐和固定的两量子比特相互作用以及所有其他时间依赖的磁场诱导的单量子比特相互作用和两量子比特耦合。讨论了高能级态泄漏和量子比特退相干对量子门操作的影响。
2014-06-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Optimal antibunching in passive photonic devices based on coupled nonlinear resonators
我们建议使用弱非线性被动材料的集成量子光子学的应用前景。结果表明，在光子晶体谐振腔中，电磁场对光子晶体非线性的强烈增强，仅利用两个耦合模的量子干涉和共振相干驱动下的光子阻塞效应，就能产生单光子.对于最先进的微腔中的实际系统参数，这种单光子源的效率的理论特征在于通过在零时间延迟的二阶关联函数作为主要的品质因数，其中的主要来源的损失和退相干被考虑在一个标准的主方程处理。这些结果可以刺激基于非共振材料介质的集成量子光子器件的实现，与当前的半导体技术完全可集成，并匹配相关的电信波段工作波长，作为基于腔QED的单光子非线性器件的替代方案。
2012-12-11 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Time-optimal transfer of the quantum state in long qubit arrays
针对大型耦合量子比特阵列最优控制难的问题，研究其近邻耦合阵列量子态传输模型，推导兼具最大保真度与最小时间的最优控制，为提升大规模量子系统潜力提供方案。
2025-01-21 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
