Photon storage in Lambda-type optically dense atomic media. IV. Optimal control using gradient ascent
我们使用的数值梯度上升方法从最优控制理论扩展有效的光子存储在λ型介质以前无法访问的制度，并提供简单直观的解释，我们的优化技术。特别是，通过使用梯度上升来塑造用于介导光子存储的经典控制脉冲，我们打开了在非绝热极限中的高效率光子存储的可能性，其中不存在运动方程的解析解。这种控制整形技术使得存储器的带宽能够增加一个数量级。我们还表明，经常讨论的时间反转和光子存储的最优性之间的连接自然从梯度上升。最后讨论了可控可逆非均匀加宽的优化问题。
2008-04-07 quant-ph
Robust control of entanglement in a Nitrogen-vacancy centre coupled to a Carbon-13 nuclear spin in diamond
我们解决了一个问题，产生一个强大的纠缠门之间的电子和核自旋在一个单一的氮真空中心耦合到一个最近的碳-13原子在金刚石对某些类型的系统误差，如脉冲长度和非共振误差的系统。我们分析了各种控制方案的鲁棒性：顺序脉冲，复合脉冲和数值优化脉冲。我们发现，由梯度上升脉冲工程算法（GRAPE）产生的数值优化脉冲比复合脉冲和顺序脉冲更鲁棒。优化脉冲也可以在比复合脉冲更快的时间内实现。
2009-03-23 quant-ph
Simple implementation of high fidelity controlled-$i$SWAP gates and quantum circuit exponentiation of non-Hermitian gates
$i$交换门是纠缠交换门，其中如果量子位的状态被交换，则量子位获得$i$的相位。在这里，我们提出了一个简单的实现控制- $i$交换门。该门可以通过几个控制器来实现，并通过施加单个通量脉冲来工作。门时间是独立的控制的数量，我们发现任何数量的控制的高quantiities。我们讨论了使用超导电路的门的实现，并提出了一个现实的实施方案，其中我们已经考虑到超导芯片上的消相干噪声和制造误差，通过蒙特卡罗模拟可能的误差。然而，本文提出的总体思路并不限于这种实现。在某些量子信息方案中需要对量子门进行幂运算，因此我们还提出了一种用于对$i$交换门和其他非埃尔米特门进行概率幂运算的量子线路。
2020-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Optimal control of mirror pulses for atom interferometry
原子物质波干涉技术要求反射镜和分束器脉冲对场强、磁环境、原子速度和塞曼子态的不均匀性具有鲁棒性。使用量子控制方法确定的脉冲形状通过允许更宽的原子分布、更大的干涉仪面积和更高的对比度来提供显著改善的干涉仪性能。我们已经应用梯度上升脉冲工程（GRAPE），以优化马赫-曾德尔光脉冲原子干涉仪的相位调制镜脉冲的设计，其目的是增加条纹对比度时，平均超过原子与实验相关的范围内的速度，光束强度，和塞曼状态。脉冲被发现是高度鲁棒的失谐和耦合强度的变化，并提供了一个明确的改进，在鲁棒性的最佳建立的复合脉冲。在$\sim 80\ μ$ K ${}^{85}$ Rb原子云中的峰值镜保真度被预测为与标准矩形$π$脉冲相比提高了2倍。
2018-04-19 quant-ph
Quantum Optimal Control Using MAGICARP: Combining Pontryagin's Maximum Principle and Gradient Ascent
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg UMR-7504 CNRS, Université de Strasbourg（斯特拉斯堡材料与化学物理研究所）；Institute of Nanotechnology, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所）；Institut de Recherche Mathématique Avancée, UMR 7501 CNRS, Université de Strasbourg, Inria（斯特拉斯堡大学高级数学研究所）；Institut Élie Cartan de Lorraine, CNRS, Inria, Université de Lorraine（洛林伊莱·嘉当研究所）；Institut Universitaire de France（法兰西学院）
提出MAGICARP算法，结合庞特里亚金最大值原理与梯度上升技术，通过打靶法确定初始伴随动量以实现目标量子门，在数值示例中展示其相比GRAPE的优势。
2026-06-25 physics.comp-ph quant-ph
Scalable semi-classical implementation of Shor factoring using time-multiplexed degenerate optical parametric oscillators
提出了一种在时间复用简并光参量振荡上对任意长整数对进行编码的方案。振荡脉冲的偏振方向和相位之间的经典纠缠，被看作是两个计算寄存器，消除了每对中的整数相关。我们显示的主要算法步骤，模幂运算和离散傅立叶变换，Shor的量子因子分解算法可以在寄存器中执行的脉冲干扰下的外部逻辑的协助下。因此，该因子分解算法相当于一个半经典的光路实现，是可扩展的和消相干的自由。所寻求的乘法阶，从其中的素因子推导出，确定从四孔干涉测量在路径的末端产生的二维条纹图像。
2022-05-24 quant-ph
Quantum control of a random transverse Ising spin system
本文研究在具有随机最近邻相互作用和横向场的一维量子横场Ising模型中的子空间转移，采用变分方法及GRAPE和dCRAB量子控制算法进行数值模拟。
2025-04-07 quant-ph
Pulse engineering via projection of response functions
本文提出一种基于响应函数投影的量子最优控制方法，以无超参数方式计算保真度梯度并进行多参数更新，相比GRAPE算法显著提升收敛性和最优保真度。
2025-02-05 quant-ph
Extending XACC for Quantum Optimal Control
量子计算供应商开始为直接脉冲级量子控制开放应用程序编程接口。有了这个，程序员可以开始通过任意脉冲形状的序列来描述执行的量子内核。这为智能量子编译例程的研究和开发开辟了新的途径，这些例程能够将更高级别的数字汇编表示直接转换为这些本地脉冲指令。在这项工作中，我们提出了XACC系统级量子经典软件框架的扩展，通过用户指定的量子最优控制技术，直接使这个编译降低阶段。该扩展使得能够将数字量子线路表示转换为相对于后端系统动态最优的等效脉冲序列。我们的工作是模块化和可扩展的，使第三方优化控制技术和策略在C++和Python。我们证明了这种扩展与熟悉的梯度为基础的方法，如梯度上升脉冲工程（GRAPE），梯度优化分析控制（GOAT），和克罗托夫的方法。我们的工作是未来量子经典编译器设计的基础组成部分，将高级编程表示降低到低级机器指令。
2020-06-04 quant-ph
Assessing three closed-loop learning algorithms by searching for high-quality quantum control pulses
设计高质量的控制对于可靠的量子计算至关重要。在现有的方法中，闭环学习控制是一种有效的选择。它的效率取决于所采用的学习算法，因此值得算法的比较，其实际应用。在这里，我们通过寻找高质量的控制脉冲来准备贝尔态，评估了三种代表性的学习算法，包括GRadient Ascent Pulse Engineering（GRAPE）、改进的Nelder-Mead（NMplus）和差分进化（DE）。我们首先在核磁共振系统中实验性地实现每个算法，然后考虑一些可能的显著实验不确定性的影响进行数值研究。实验结果表明，这三种算法都能以不同的收敛速度成功地获得目标状态的高保真度，并且在不考虑潜在不确定性的情况下，实验结果与数值模拟结果相吻合。然而，在某些显着的不确定性，这些算法具有不同的性能方面，其产生的精度和效率。这项研究提供了洞察力，以帮助不同的闭环学习算法在现实的物理场景中的实际应用。
2021-01-20 quant-ph
Binary Control Pulse Optimization for Quantum Systems
量子控制的目的是操纵量子系统朝向特定的量子态或期望的操作。设计高度精确和有效的控制步骤对于各种量子应用至关重要，包括能量最小化和电路编译。在本文中，我们专注于离散二进制量子控制问题，并采用不同的优化算法和技术，以提高计算效率和解决方案的质量。具体来说，我们开发了一个通用模型，并以多种方式对其进行扩展。我们引入了一个平方$L_2$罚函数来处理额外的侧约束，以模拟要求，如允许最多一个控制是活跃的。我们引入了一个总变分（TV）正则化，以减少控制中的开关数量。我们修改了流行的梯度上升脉冲工程（GRAPE）算法，发展了一种新的交替方向乘子法（ADMM）算法来解决惩罚模型的连续松弛，然后应用舍入技术来获得二进制控制解。我们提出了一个改进的信赖域方法，以进一步改善解决方案。我们的算法可以获得高质量的控制结果，证明了不同的量子控制例子的数值研究。
2022-12-08 quant-ph
Resonator reset in circuit QED by optimal control for large open quantum systems
我们研究了一种适用于大型开放量子系统的开放GRAPE（Gradient Ascent Pulse Engineering）算法。虽然开放量子系统的最优控制算法的典型实现依赖于显式矩阵指数计算，但我们的实现避免了这些操作，从而在感兴趣的情况下导致开放GRAPE算法的多项式加速。这种加速，以及我们的实现减少内存需求，说明了开放GRAPE的标准实现相比。作为一个实际例子，我们将这种开放系统优化方法应用于电路QED中读出谐振器的有源复位。在这个问题中，微波脉冲的形状被优化，以便尽可能快地从测量光子中清空腔。使用我们的开放式GRAPE实现，我们获得的脉冲形状导致的复位时间比被动复位快四倍。
2017-10-15 quant-ph
Pulse-optimised circuit elements for scalable and noise-resilient quantum chemistry
Hitachi Cambridge Laboratory（日立剑桥实验室）；Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge（剑桥大学物理系卡文迪许实验室）
提出一种基于梯度上升脉冲工程的方法，直接实现变分量子本征求解器（VQE）的硬件定制脉冲，将硅自旋量子比特处理器上的单/双量子比特激发实现时间分别降至289 ns和927 ns，VQE运行时间最多缩短15.3倍。
2026-06-17 quant-ph
Auxiliary matrix formalism for interaction representation transformations, optimal control and spin relaxation theories
辅助矩阵指数方法被用来推导简单和数值有效的以下，历史上相当繁琐和难以计算，理论方法的一般表达式：（1）平均哈密顿理论以下的相互作用表示变换;（2）布洛赫-Redfield-Wangsness理论的核和电子弛豫;（3）梯度上升脉冲工程版本的量子最优控制理论。在自旋动力学的背景下，辅助矩阵指数的方法是更有效的比基于矩阵分解的方法，也表现出更有利的复杂性缩放的哈密顿矩阵的维度。
2015-07-24 quant-ph
Robust microwave cavity control for NV ensemble manipulation
针对微波腔操控NV系综时外部控制与腔内场不一致的问题，提出基于GRAPE的优化方法，生成鲁棒脉冲并集成到PulsePol序列，使失谐容忍度提升五倍。
2025-03-28 quant-ph
Optimal Control of the Operating Regime of a Single Electron Double Quantum Dot
双量子点器件受益于自旋和电荷量子位的优点，同时提供了减轻其缺点的方法。仔细的栅极电压调制可以赋予器件更大的类自旋或类电荷动力学，前者产生长的相干时间，后者产生高的电敏感性，用于电驱动的自旋旋转或与微波光子的相干相互作用。我们表明，使用GRatient上升脉冲工程（GRAPE）算法产生的最佳控制脉冲可以产生更高的保真度的操作制度转让比可以实现使用线性方法。
2022-08-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Uncovering Latent Structures in Robust Pulse Sequences: A Model-Based Reinforcement Learning Approach for Adaptable Quantum Control
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Munich Centre for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与工程中心）；Max Planck Institute for the Science of Light（马克斯·普朗克光科学研究所）；Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔兰根-纽伦堡大学）
提出一种基于模型强化学习的鲁棒最优量子控制方法，通过将哈密顿量嵌入训练管道的神经网络，无需预计算数据即可为整个门族生成鲁棒脉冲，在单自旋系统上实现毫秒级任意旋转角脉冲，保真度媲美多种子GRAPE，并发现控制景观中的结构化相位轮廓。
2026-06-24 quant-ph
High fidelity one-qubit operations under random telegraph noise
我们解决的问题，实现高保真的单量子比特操作的量子比特能量分裂的时间依赖性噪声。我们用明确的数值结果表明，高保真位翻转和单量子位非门可以通过施加有界控制场产生。对于比pi脉冲的时间短的噪声相关时间，时间最佳的pi脉冲产生最高的保真度。对于很长的相关时间，保真度损失近似是由于系统误差，这是有效地解决了补偿与脉冲序列（CORPSE）的非谐振。对于噪声相关时间的中间范围，我们发现，短的CORPSE，这是不太准确的CORPSE在纠正系统误差，产生更高的精度。使用梯度上升脉冲工程的脉冲序列的数值优化导致位翻转的精确度的显著改善和非门的边际改善。
2005-08-05 cond-mat.other quant-ph
Instrumental distortions in quantum optimal control
针对量子控制中仪器失真问题，提出RAW-GRAPE框架，在GRAPE优化循环内处理可微失真级联，无需滤波器函数求逆，生成对指定失真鲁棒的控制序列，并集成于Spinach库。
2025-03-22 physics.chem-ph quant-ph
Optimized Slice-Phase Control of Mirror Pulse in Cold-Atom Interferometry with Finite Response Time
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）；Wuhan Gravitation and Solid Earth Tides National Observation and Research Station（武汉重力与固体潮国家观测研究站）；Wuhan Institute of Quantum Technology（武汉量子技术研究院）
本研究通过自适应切片结构和量子最优控制方法，优化冷原子干涉仪的镜像脉冲，提升其在非均匀环境下的鲁棒性和效率。
2026-01-22 physics.atom-ph quant-ph
Superconducting Qubit Gates Robust to Parameter Fluctuations
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Max Planck Institute of Quantum Optics（马克斯·普朗克量子光学研究所）；Munich Center for Quantum Science and Technology（慕尼黑量子科学与技术中心）；Saarland University（萨尔兰大学）
本研究通过GRAPE方法设计鲁棒的超导量子比特门，有效抑制参数波动导致的相干误差，提升误差校正计算的稳定性。
2025-12-03 quant-ph
Control-enhanced multiparameter quantum estimation
大多数多参数估计的研究假设动态是固定的，并集中在确定最佳的探头状态和最佳的测量。然而，在实践中，控制通常可用于改变动态，这提供了另一个自由度。在本文中，我们采用最优控制方法，特别是梯度上升脉冲工程（GRAPE），设计最优控制的精度限制，在多参数估计的改善。我们表明，控制方案不仅能够提供一个更高的精度限制，但也有一个更高的稳定性的时间点进行测量的不准确性。这种高时间稳定性将有益于实际计量，在实际计量中由于测量设备的响应时间而难以在非常精确的时间点执行测量。
2017-10-18 quant-ph
Quantum Optimal Control in a Chopped Basis: Applications in Control of Bose-Einstein Condensates
讨论了磁微阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的量子最优控制。目标是将凝聚物从基态转移到第一激发态。这种类型的控制问题通常使用基于导数的方法在高维控制空间中解决，例如梯度上升脉冲工程（GRAPE）和Krotov方法，或者使用无导数方法在简化的控制空间中解决，例如具有斩波随机基的Nelder-Mead（CRAB）。我们讨论了如何将这些方法结合在梯度优化中使用参数化（GROUP），包括控制电子设备的有限带宽。我们比较这些方法，发现集团收敛速度比Nelder-Mead与CRAB和取得更好的结果比GRAPE和Krotov的方法在这里提出的控制问题。
2018-08-20 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 control of population transfer in Markovian open quantum systems
控制特定量子态之间布居数的转移一直是人们的兴趣所在。最近的工作是用梯度上升脉冲工程算法[1]优化封闭系统种群转移的控制律。本文研究了由二能级原子与耗散环境相互作用组成的自旋玻色子模型。通过光学控制，量子系统可以反转量子逻辑态的布居。温度在控制种群转移中起重要作用。在低温下，该对照具有积极的表现，而在高温下，它有较少的直立。我们还分析了具有最优布居转移控制的开放量子系统的退相干时间，发现这些控制可以延长相干时间。我们希望主动最优控制可以帮助量子固态工程。
2010-04-27 quant-ph
Quantum control landscape for ultrafast generation of single-qubit phase shift quantum gates
在这项工作中，我们考虑了单量子位相移量子门的超快控制产生问题。全局最优控制是一种能使门具有最大可能保真度的控制。陷阱是一种仅局部最优而非全局最优的控制。之前已经表明，对于任意单量子位量子门的受控生成足够长的时间，以及对于除相移门之外的量子门的快速控制，不存在陷阱。在前面的分析中错过了相移门的超快生成。在这项工作中，我们表明，结合分析和数值优化方法，如梯度上升脉冲工程（GRAPE），差分进化，和双退火，控制景观超快产生的相移门也是免费的陷阱。量子控制景观的数学分析是量子控制中的一个重要课题，其目的是证明量子控制目标泛函中陷阱的存在或不存在。在这项工作中，我们提供了一个严格的分析的量子控制景观的超快生成的单量子位量子门和显示，结合分析方法的基础上的一个复杂的分析谱的海森，和数值优化方法，如梯度上升脉冲工程（GRAPE），差分进化，和双重退火，控制景观的超快生成的相移门是免费的陷阱。
2021-04-27 math-ph math.MP quant-ph
Quantum control of population transfer between vibrational states in an optical lattice
我们研究了量子控制技术，特别是绝热快速通过（ARP）和梯度上升脉冲工程（GRAPE），用于转移原子被困在一个光晶格之间的不同的振动状态。我们将它们相互比较，并与以前研究的耦合方案的性能。在我们对ARP的研究中，我们通过非均匀加宽的振动吸收谱来调节空间调制的频率，从而实现对振动态的控制。我们发现，由于存在多个交叉点，人口转移取决于频率扫描的方向，与传统的ARP。在第二项研究中，我们控制这些国家通过施加脉冲序列涉及的光晶格的位移和调制的晶格深度。该脉冲通过GRAPE算法设计，以最大化从初始（基态）状态转移到第一激发态的原子数量。我们发现，ARP和GRAPE技术是优于先前测试的技术在转移人口到第一激发态从基态：$38.9\pm0.2\%$和$39\pm2\%$分别。GRAPE在使更高激发态未被填充（在$84\%$置信水平下，小于基态粒子数的$3.3\%$）方面优于ARP，而通过使用ARP，基态粒子数的$18.7\pm0.3\%$被转移到更高的激发态。另一方面，ARP创建了$0.21\pm0.02$的归一化布居数反转，这是我们所研究的任何控制技术所获得的最高值。
2015-10-30 quant-ph
K-GRAPE: A Krylov Subspace approach for the efficient control of quantum many-body dynamics
梯度上升脉冲工程（GRAPE）是一种著名的控制算法，具有良好的收敛速度，由于分段常数的控制函数，允许廉价的目标梯度。然而，量子动力学的精确模拟所涉及的计算工作很快成为限制大型系统控制的瓶颈。在本文中，我们提出了一个修改版本的GRAPE，使用Krylov近似有效地处理高维状态空间。即使一个任意的控制任务所需的参数的数量与系统的维度成线性比例，我们发现一个恒定的基本计算工作（每个参数的努力）。由于GRAPE的基本努力是超二次的，这种加速使我们能够达到远远超出的维度。K-GRAPE算法的性能是基准的典范XXZ自旋链模型。
2020-10-07 quant-ph
Transducer leakage error suppression using invariant-based shortcut
School of Physics, Anhui University（安徽大学物理学院）；Laboratory for Advanced Computing and Intelligence Engineering（先进计算与智能工程实验室）；School of Physics, Zhengzhou University（郑州大学物理学院）；Institute of Quantum Materials and Physics, Henan Academy of Science（河南省科学院量子材料与物理研究所）
该研究针对自旋 - 超导混合量子系统，利用基于最优不变量的捷径理论抑制换能器泄漏误差，通过介导虚拟光子交换能量，设计优化脉冲控制，实现高保真量子操作，抵抗控制误差影响，为精确操纵量子态提供可行路径。
2026-08-04 quant-ph
Overcoming disorder in superconducting globally driven quantum computing
Planckian srl（普兰克有限公司）；NEST, Scuola Normale Superiore（意大利高等师范学院）；Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa（比萨大学物理系）
本研究通过脉冲优化方案，如GRAPE算法，克服超导全局驱动量子计算中静态杂乱对量子操作保真度的影响，实现高保真度操作。
2026-01-20 cond-mat.supr-con quant-ph
Optimal Control of Coupled Sensor-Ancilla Qubits for Multiparameter Estimation
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；The University of Tokyo（东京大学）；The Chinese University of Hong Kong（香港中文大学）
本文提出通过GRAPE方法优化耦合量子比特系统，实现高精度多参数磁力计和固态量子传感器的应用。
2025-12-12 quant-ph
Improved Quantum Computing with the Higher-order Trotter Decomposition
在设计量子控制时，通常需要用经典计算机模拟受控系统的演化。然而，计算时间演化算子可能是相当消耗资源的，因为总哈密顿量通常难以对角化。在本文中，我们通过用它们的Trotter分解替换时间演化段来缓解这个问题，这将传播子减少到单量子比特操作和固定时间系统演化的组合。由此产生的过程可以提供相当大的速度增益与传播误差的可接受的成本。作为示范，我们应用所提出的策略，以提高效率的梯度上升脉冲工程算法搜索最优控制领域。此外，我们表明，高阶Trotter分解可以提供有效的Ansätze变分量子算法，从而提高性能，解决基态问题。这里提出的策略也适用于许多其他量子优化和模拟任务。
2022-10-24 quant-ph
Synthesizing Compound Pulse Gadgets for Hamiltonian Simulation on Trapped-Ion Platforms
North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）
提出一种绕过离散门拼接的脉冲合成策略，直接编译为连续复合脉冲器件，用于离子阱平台上的哈密顿模拟，通过GRAPE算法生成复合器件，实现时间压缩并消除控制层延迟。
2026-07-02 cs.AR cs.ET quant-ph
Optimal quantum control of Bose-Einstein condensates in magnetic microtraps: Comparison of GRAPE and Krotov optimization schemes
我们研究最优量子控制的动力学被困的玻色-爱因斯坦凝聚体：目标是分裂的凝聚体，最初居住在一个单一的井，到一个双井，而不诱导激发，并激发凝聚体从地面的第一个激发态的单一井。凝聚体是在平均场近似的Gross-Pitaevskii方程。我们比较了两种优化方法的性能和易用性，即梯度上升脉冲工程（GRAPE）和克罗托夫的方法。这两种方法都是从变分原理推导出来的，但在控制更新的方式上不同，考虑了额外的成本，并且可以包括二阶导数信息。我们发现，GRAPE产生更平滑的控制字段，并在一个黑盒子的方式工作，而Krotov与适当选择的步长参数收敛速度更快，但可以产生尖锐的功能在控制字段。
2014-09-10 quant-ph
Quantum control by the environment: Turing uncomputability, Optimization over Stiefel manifolds, Reachable sets, and Incoherent GRAPE
本文简要回顾了将环境作为有用资源控制开放量子系统的研究，涵盖工程化环境、非选择性测量、图灵不可计算性、Stiefel流形上的Kraus映射参数化与黎曼优化、耗散控制、可达集及非相干GRAPE优化等方法。
2024-03-20 quant-ph
EO-GRAPE and EO-DRLPE: Open and Closed Loop Approaches for Energy Efficient Quantum Optimal Control
研究提出EO-GRAPE与EO-DRLPE两种量子最优控制方法，协同优化量子酉门的过程保真度与能量成本，并发现开环方法在多数噪声环境下性能更优。
2024-11-10 cs.ET cs.SY eess.SY
Optimal control for state preparation in two-qubit open quantum systems driven by coherent and incoherent controls via GRAPE approach
在这项工作中，我们考虑了一个模型的两个量子比特驱动的相干和非相干的时间相关的控制。系统的动力学由Gorini-Kossakowski-Sudarshan-Lindblad主方程控制，其中相干控制进入哈密顿量，非相干控制进入哈密顿量（通过兰姆位移）和耗散超算子。考虑两类物理性质不同的相互作用，研究了状态准备的最优控制问题，其形式为在某一固定目标时刻，使最终密度矩阵与给定目标密度矩阵之间的Hilbert-Schmidt距离平方最小。考虑到非相干控制的物理意义是一个非负的时间函数，我们推导出一个解析表达式的梯度的目标和开发优化方法的基础上适应这个问题的梯度上升脉冲工程（GRAPE）。我们研究了优化控制下的冯诺伊曼熵、纯度和单量子比特约化的密度矩阵的演化，并观察到在哈密顿量中具有相干控制的两类相互作用的GRAPE优化的显著不同的行为。
2022-11-04 quant-ph
Quantum optimal control of the Dicke manifold in dipolar Rydberg atom arrays
University of New Mexico（新墨西哥大学）；University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）
针对里德伯原子阵列中Dicke流形的控制泄漏问题，提出不可约蒸馏（IRD）方法结合梯度上升脉冲工程（GrAPE），在仅线性缩放希尔伯特维度的截断空间中实现高保真度量子态制备。
2026-06-11 quant-ph
Control landscapes for high-fidelity generation of C-NOT and C-PHASE gates with coherent and environmental driving
本研究针对环境存在下双量子比特C-NOT和C-PHASE门的高保真生成，通过相干与非相干控制，利用inGRAPE等方法分析控制景观，发现保真度平滑无陷阱，与单量子比特门情况不同。
2024-05-23 quant-ph
Incoherent GRAPE (inGRAPE) for optimization of quantum systems with environmentally assisted control
本文回顾了非相干 GRAPE (inGRAPE) 方法在环境辅助下优化开放量子系统的应用，通过求解三次方程获得密度矩阵演化解析式，并揭示了不同量子门控制景观的特性。
2024-03-26 quant-ph
Forked Physics-Informed Neural Networks for Non-Markovian Open Quantum Dynamics and Control
College of Physics and Optoelectronic Engineering, Ocean University of China（中国海洋大学物理与光电工程学院）；China Mobile (Suzhou) Software Technology Co., Ltd（中国移动（苏州）软件技术有限公司）；School of Information Management and School of Artificial Intelligence, Qingdao University of Technology（青岛理工大学信息管理学院和人工智能学院）；Engineering Research Center of Advanced Marine Physical Instruments and Equipment of Ministry of Education, Ocean University of China（教育部海洋先进物理仪器装备工程研究中心）；Qingdao Key Laboratory of Optics and Optoelectronics, Ocean University of China（青岛市光学与光电技术重点实验室）
研究针对非马尔可夫开放量子系统模拟与控制难题，扩展分叉PINN框架，通过选择性梯度流解耦优化目标，实现联合优化。在两比特海森堡XXX模型上验证，该方法能再现非马尔可夫动力学特征，在状态制备任务中保真度更高，脉冲更平滑，提供统一可微范式。
2026-07-15 quant-ph
Diverse efficiency of observable optimization for four-level quantum systems with higher-order traps
Steklov Mathematical Institute of Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院斯捷克洛夫数学研究所）
本文分析并数值研究了四能级量子系统中零控制为五阶陷阱时的可观测量优化效率，发现V-V系统优化效率在远离零控制时急剧上升至100%，而链式相互作用系统则缓慢增长甚至下降。
2026-07-02 quant-ph
Generalizable control for multiparameter quantum metrology
在量子精密测量中，可以采用量子控制来改善未知参数估计的精度限制。然而，最优控制通常取决于参数的实际值，因此需要利用这些参数的更新估计来自适应地设计。传统的方法，如梯度上升脉冲工程（GRAPE），需要对遇到的每一组新参数进行优化，使得优化成本高昂，特别是当涉及许多参数时。在这里，我们研究的最优控制，即，最优控制，可以系统地更新在一系列的参数以最小的成本的推广。在控制通道可以完全逆转的情况下，由于参数的变化，在哈密尔顿的移位，我们提供了一种分析方法，有效地生成最优控制的任何参数从初始的最优控制发现无论是GRAPE或强化学习。当控制通道受到限制时，分析方案是无效的，但强化学习仍然保留了一定程度的泛化能力，尽管范围较窄。在哈密尔顿算子的移位不可能分解到可用控制通道的情况下，对于强化学习或分析方案都没有发现可推广性。我们认为，强化学习的推广是通过类似的机制分析方案。我们的研究结果提供了见解，何时以及如何在多参数量子精密测量的最优控制可以推广，从而促进有效实施的多个参数的最优量子估计，特别是对于系统的参数范围的合奏。
2021-04-29 quant-ph
Hamiltonian Switching Control of Noisy Bipartite Qubit Systems
本文提出一种受QAOA启发的哈密顿量切换控制方法，结合强化学习优化，有效抑制双量子比特系统中的环境噪声，实现高保真度量子门，并分析关键参数影响。
2023-04-13 quant-ph
Optimal control of the silicon-based donor electron spin quantum computing
我们演示了如何梯度上升脉冲工程最优控制方法可以实现施主电子自旋量子位在硅半导体的架构互补的原始凯恩的建议。我们专注于高保真控制非（CNOT）门，并明确找到其数字化的控制序列，通过优化其保真度的超精细A和交换J相互作用的外部控制。这种高保真CNOT门的误差约为$10^{-6}$，低于容错量子计算所需的误差阈值，其100 ns的操作时间比所提出的全局控制方案的297 ns快约3倍。它也大大放宽了Kane提出的10~ 20 nm的两个相邻施主原子之间的距离限制，使其在30 nm左右，用现有的制造技术可以建立表面A和J门。讨论了控制电压波动、偶极-偶极相互作用和电子自旋退相干对CNOT门保真度的影响。
2009-06-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal control of large quantum systems: assessing memory and runtime performance of GRAPE
针对自动微分版GRAPE在大量子系统中内存开销大的瓶颈，提出硬编码梯度+改进态传播的无AD方案，验证其在大希尔伯特空间下的内存与运行时性能优势。
2023-04-13 physics.comp-ph quant-ph
Counterdiabatic Optimised Local Driving
绝热协议在各种量子技术中使用，从实现状态准备和作为较大设备的构建块的单独操作，到量子退火和绝热量子计算中的更高级别协议。加速这些过程的问题已经引起了大量的兴趣，导致了一系列的方法，最引人注目的是量子最优控制和绝热性的捷径。这两种方法是互补的：最优控制操纵控制领域，以引导在最小允许的时间内的动态，而绝热性的捷径旨在保持绝热条件后，加速。我们概述了一种新的方法，它结合了这两种方法，并利用各自的优势。新技术改进了近似局部反绝热驱动与时间相关的控制字段的增加。我们将这种新方法称为反绝热优化局部驱动（COLD），我们表明，当应用于退火协议，状态准备方案，纠缠生成和晶格上的人口转移时，它可以导致实质性的改善。我们还展示了一种新的方法来优化控制领域，不需要访问的波函数或系统动力学的计算。COLD可以提高现有的先进的最优控制方法，我们探索这一点，使用斩波随机基础方法和梯度上升脉冲工程。
2022-10-24 cond-mat.quant-gas quant-ph
GRAPE optimization for open quantum systems with time-dependent decoherence rates driven by coherent and incoherent controls
本文将 GRAPE 扩展到同时受相干与非相干控制、含时退相干率的开放量子系统，推导一般 N 能级系统的分段控制梯度，并对单量子比特给出基于 3×3 矩阵对角化和 Cardano 方法的解析结果及数值验证。
2023-07-17 quant-ph
Krotov Method for Optimal Control in Closed Quantum Systems
量子系统最优控制的数学问题与基本问题以及现有和未来的应用有关，引起了人们的高度兴趣。一个重要的问题是开发构造量子系统控制的方法。常用的方法之一是Krotov方法，最初在V.F.~ Krotov和I.N. Feldman（1978，1983）.在[D. J. Tannor，V. Kazakov，V. Orlov，In：Time-Dependent Quantum分子动力学，Boston，Springer，347- 360（1992）]和[J. Tannor，V. Kazakov，V. Orlov，1992]中，该方法被用于开发用于寻找量子系统的最优控制的新方法。Somlói，V.A.~ Kazakov，D.J.~ Tannor，化学物理，172：1，85- 98（1993）]，以及在各种科学家的许多著作中，如在本综述中详细描述的。该评论讨论了封闭量子系统的最优控制方法的数学方面。它概述了各种修改方面定义的改进功能（在大多数情况下是线性或线性二次），控制谱和量子系统，正则化等状态的限制。审查描述了应用的克罗托夫方法控制的分子动力学，操作的玻色-爱因斯坦凝聚体，量子门代。并与GRAPE（Gradient Ascent Pulse Engineering）、CRAB（Chopped Random-Basis）、Zhu-Rabitz和Maday-Turinici方法进行了比较。
2019-04-30 math-ph math.MP quant-ph
Quantum optimal control of steady orbits
University of Konstanz（康斯坦茨大学）；University of St Andrews（圣安德鲁斯大学）；University of Southampton（南安普顿大学）；Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
提出一种针对耗散量子系统渐近稳态轨道的高效控制策略，通过优化控制序列使系统经过指定路径点，数值复杂度与GRAPE相当。
2026-06-17 math-ph math.MP physics.chem-ph
Quantum Control of Radical Pair Dynamics beyond Time-Local Optimization
本研究扩展GRAPE范式实现低磁场下自由基对自旋选择复合反应的任意波形控制，通过时间分块等优化策略提升效率，在玩具模型和真实供体-受体体系中验证有效，为环境磁场下的量子磁测量及生化量子控制应用铺路。
2024-03-13 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
