Effectiveness of the Krotov method in controlling open quantum systems
本文研究Krotov方法在开放量子系统控制中的有效性，对比幺正与非幺正优化在态制备和量子门实现中的表现，发现非幺正优化在态制备中更优，但在量子门实现中取决于泄漏态和耗散分布情况。
2023-07-25 physics.comp-ph 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 transfer of entanglement in oscillator chains in non-Markovian open systems
Stevens Institute of Technology（史蒂文斯理工学院）
该研究通过优化控制场在非马尔可夫开放系统中实现振子链中高保真度的纠缠传输，展示了量子记忆效应在提升传输效率中的作用。
2025-12-09 quant-ph
Montonic convergent optimal control theory to modulate bandwidth limited laser pulses in linear and non-linear optical processes
我们提出了一种改进的最优控制方案的基础上的Krotov方法，它允许严格限制的光谱优化的激光场，而不会失去单调收敛的算法。该方法保证了学习回路控制实验的密切联系，并证明了具有挑战性的控制非共振拉曼跃迁，这是用来实现一组全球量子门的分子振动量子位。
2008-01-25 quant-ph
Optimal control of population and coherence in three-level $Λ$ systems
最优控制理论的实现，一个有效的人口转移和创建一个最大的三能级系统的一致性被认为是。我们证明了半STIRAP（受激拉曼绝热通道）方案的最大拉曼相干的创建是根据最优控制理论的最优解决方案。我们还提出了一个比较研究的最优控制理论的几个实施方案，适用于完整的人口转移和创造的最大连贯性。分析了共轭梯度法、Zhu-Rabitz法和Krotov法的性能。
2011-04-24 physics.chem-ph quant-ph
On the time-optimal implementation of quantum Fourier transform for qudits represented by quadrupole nucleus
我们考虑了量子傅里叶变换门的时间最优实现问题，其中量子数d为3到8。作为量子点，考虑了自旋I > 1/2的四极核，它是由NMR控制的。我们计算的门误差的依赖关系的射频脉冲的持续时间通过数值优化获得使用克罗托夫算法。结果表明，在整数自旋和半整数自旋情况下，QFT门实现的最小时间对量子数维数的依赖性是不同的。
2012-11-21 quant-ph
Optimal control under spectral constraints: Enforcing multi-photon absorption pathways
用最优控制理论得到的整形脉冲往往具有非物理意义上的宽谱。原则上，脉冲的光谱宽度可以通过优化函数中的附加约束来限制。然而，到目前为止，它已经不可能施加谱约束，同时严格保证单调收敛。在这里，我们表明，克罗托夫的方法允许同时施加时间和频谱的约束，而不干扰单调收敛，提供的约束可以表示为半正定二次型。优化场由一个积分方程给出，该积分方程可以使用退化核的方法有效地求解。我们证明，高斯滤波器抑制不需要的频率分量的非共振双光子吸收的控制。
2013-07-12 quant-ph
Mitigating controller noise in quantum gates using optimal control theory
本文采用最优控制理论，在 Liouville 空间利用 Krotov 算法研究生成单比特和双比特量子门，以缓解相位和幅度噪声导致的门保真度下降。
2024-09-19 quant-ph
Quantum optimal control of photoelectron spectra and angular distributions
光电离中获得的光电子谱和光电子角分布揭示了关于例如母离子中的电荷转移或空穴相干性的重要信息。在这里，我们表明，基本的量子动力学的最佳控制可以用来增强所需的功能，在光电子光谱和角分布。为此，我们结合Krotov的最优控制理论的方法与时间相关的配置相互作用单形式主义和分裂的方法来计算光电子能谱和角分布。优化目标可以单独在光电子角分布中、在光电子谱中或在两者中考虑特定的期望性质。我们证明了氢的方法，然后将其应用到强XUV辐射下的氩，最大限度地提高到上下半球的发射的差异，以实现定向电子发射在XUV制度。
2015-11-02 physics.atom-ph quant-ph
Optimal control of open quantum systems: cooperative effects of driving and dissipation
研究了开放量子系统的最优控制问题，特别是驱动和耗散的相互影响。一种随机方法，开放系统控制的开发，使用广义版本的克罗托夫的迭代算法，不需要马尔可夫或行波近似。谐波自由度的应用程序揭示了标准马尔可夫处理无法捕获的驱动和耗散的合作效应。值得注意的是，控制可以将开放系统的动力学修改到熵变变为负值的程度，从而在不依赖内部自由度的情况下实现平移运动的冷却。
2011-09-28 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph quant-ph
Coherent dynamical control of quantum processes
操纵量子系统需要知道它是如何演化的。为了使系统的动力学成为一个特定的目标操作（对于系统的任何准备），为动力学本身而不是状态建立一个运动方程可能更有用。在这里，我们开发了一个马尔可夫主方程的过程矩阵的一个开放的系统，这类似于Lindblad马尔可夫主方程。我们利用这个方程引入一个计划，在目标时间的最优局部相干过程控制，并扩展Krotov技术，以获得最优控制。我们通过几个量子相干控制方案，如最佳消相干抑制，门模拟，和被动控制的环境，在所有这些我们的目标是模拟一个给定的终端过程在给定的最终时间说明这个框架的效用。
2021-04-07 quant-ph
Probing the Weak-Driving Quantum Speed Limit via Drift-Aware Shooting Methods
Center for Quantum Nanoscience, Institute for Basic Science（基础科学研究所量子纳米科学中心）；Ewha Womans University（梨花女子大学）；Université de Strasbourg, CNRS, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, UMR 7504（斯特拉斯堡大学，法国国家科学研究中心，斯特拉斯堡材料物理与化学研究所）
本文提出MAGICARP打靶方法，通过少量参数生成平滑节能脉冲，应用于交换耦合自旋系统，发现弱驱动量子速度极限并给出能量发散的面积极点律。
2026-09-22 math-ph math.MP physics.comp-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
Optimal control for non-Markovian open quantum systems
针对具有时间非定域主方程的非马尔可夫开放量子系统，提出了一种基于Krotov方法的有效的最优控制理论，其中控制参数与浴关联函数相关.这种最优控制方法是通过量子耗散公式，将时间非局部主方程转换为一组耦合的线性时间局部运动方程在一个扩展的辅助刘维空间。作为例子，最优控制方法被应用于寻找嵌入在非马尔可夫浴中的量子比特的高保真Z门和恒等门的控制序列。对于只控制σz项的非马尔可夫开放量子比特系统，在较宽的浴退相干参数范围内，可以实现误差小于10^{-5}的Z门和恒等门.控制-耗散相关性和浴的记忆效应是实现高保真门的关键。
2012-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Overcoming limitations on gate fidelity in noisy static exchange-coupled surface qubits
Center for Quantum Nanoscience, Institute for Basic Science（量子纳米科学中心，基础科学研究院）；Ewha Womans University（梨花女子大学）
研究通过开放量子系统模拟和量子最优控制理论，探讨如何在静态交换耦合表面量子比特平台中实现高保真度操作，并提出优化实验设计以提升门保真度。
2026-04-27 cond-mat.mes-hall math-ph math.MP
Quandary: An open-source C++ package for high-performance optimal control of open quantum systems
量子最优控制可以用来对控制脉冲进行整形，实现量子态的幺正和非幺正变换。这些控制脉冲提供了量子编译器和量子硬件之间的基本接口。目前大多数用于量子最优控制的软件（例如Qutip或Krotov）仅限于在共享内存平台上运行，限制了它们对较小量子系统的适用性，特别是如果考虑到与环境的相互作用。本文概述了开源代码Quandary，该代码旨在解决由Lindblad主方程建模的大型开放量子系统中的量子控制问题。Quandary是用C++实现的，它使用分布式内存计算机的消息传递范式，可以扩展到大量的计算核心。结合数值算例，综述了实现态到态转移、幺正门优化以及态准备的开放最优量子控制的现有理论发展，并介绍了Quandary中实现的数值工具和实现方面，以部署在现代高性能计算平台上。
2021-10-19 math.OC quant-ph
Efficient optimization of state preparation in quantum networks using quantum trajectories
波函数蒙特卡罗方法，也被称为“量子跳跃轨迹”的使用，允许通过独立地跟踪许多纯态“轨迹”的演化来有效地模拟开放系统。这种方法非常适合现代高度并行计算机的模拟。在这里，我们表明，克罗托夫的方法的数值最优控制，不像其他人，可以修改以一种简单的方式，使其成为完全平行的纯状态，而不会失去其有效性。这为寻找开放量子系统和网络的最优控制协议提供了一种高效的方法。我们将这种方法应用于在由单向链耦合的系统组成的网络中产生纠缠态的问题。我们表明，由于存在一个暗态子空间的网络中，近最优的控制协议，可以找到这个问题，通过只使用一个单一的纯状态轨迹的优化，进一步提高了效率。
2018-08-20 quant-ph
Arbitrary quantum-state preparation of a harmonic oscillator via optimal control
量子系统的有效初始化是量子技术应用的先决条件。本文证明了利用Jaynes-Cummings与单个二能级系统的相互作用可以有效地制备谐振子的几类量子态。这通过适当地定制驱动偶极子和/或振荡器的外部场来实现。基于Krotov方法的最优控制理论（OCT）的时间相关的动态，导致目标状态的识别。巴黎ENS小组的实验参数可以达到低于$10^{-4}$的不稳定性，其中振子是高Q微波腔的模式，偶极子是原子的里德伯跃迁。对于这种特定的情况下，我们分析了由于参数波动的保真度的限制，并确定强大的动力学的基础上使用合奏OCT发现的脉冲。我们的分析可以扩展到量子态准备在其他平台上，如捕获离子和电路QED的连续变量系统。
2014-06-25 quant-ph
Feature- and process-based optimal control of quantum dynamics
Sharif University of Technology（谢里夫理工大学）；Islamic Azad University（伊斯兰阿扎德大学）
本文提出基于特征的最优控制方法，用于制备具有高相干性和纯度的量子过程，并通过改进初始场提升Krotov算法性能，且凸重叠保真度优于其他保真度。
2025-09-26 quant-ph
Quantum Optimal Control at Intermediate Times: Controlling Revivals in Spin Chains
Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）
本研究将量子最优控制扩展为可同时优化任意中间时间的可观测量，应用于Heisenberg XXX自旋链实现Dicke态激发的传播与复兴操控，为量子态动态跟踪及主动操控提供了新框架。
2026-08-03 physics.comp-ph quant-ph
Optimal control of fast and high-fidelity quantum gates with electron and nuclear spins of a nitrogen-vacancy center in diamond
金刚石中带负电荷的氮空位（NV）中心被认为是一种良好的固态量子比特。由NV中心的电子自旋和超精细耦合的氮以及另外附近的碳核自旋组成的系统可以形成用于量子信息处理或作为量子中继器中的节点的若干量子位的量子寄存器。已经报道了几个关于混合电子和核自旋寄存器的令人印象深刻的实验，但到目前为止所实现的量子效率还没有达到或低于容错量子计算（FTQC）所需的阈值。利用基于Krotov方法的量子最优控制理论，在考虑泄漏态、邻近噪声量子比特和远处自旋影响的情况下，我们可以在FTQC的通用量子门集合中实现快速、高保真的单量子比特和双量子比特门，其误差小于FTQC阈值定理所要求的误差.
2015-05-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Many-body quantum state control in the presence of environmental noise
本文研究环境噪声下多体量子态的最优控制，利用基于梯度的 Krotov 方法设计耦合谐振子链的时变参数，实现薛定谔猫态的高保真转移与旋转，并验证了控制对一般环境噪声的鲁棒性。
2023-11-02 quant-ph
Quantum Optimal Control via Semi-Automatic Differentiation
我们开发了一个“半自动微分”的框架，将现有的基于梯度的量子最优控制方法与自动微分相结合。该方法允许优化几乎任何可计算的函数，并在两个开源Julia包中实现，GRAPE.jl和Krotov.jl，QuantumControl.jl框架的一部分。我们的方法是基于正式重写的优化功能的传播状态，重叠与目标状态，或量子门。链规则的分析应用，然后允许分离的时间传播和评估的功能时，计算梯度。前者可以通过一个修改的GRAPE方案进行评估，具有很大的效率。后者用自动微分进行评估，但与时间传播相比，其复杂性大大降低。因此，我们的方法消除了通常与自动微分相关的禁止性存储器和运行时开销，并通过使量子信息和量子精密测量的非解析泛函的直接优化，特别是在开放量子系统中，促进了量子控制的进一步发展。我们说明和基准的使用半自动微分的超导量子位通过共享传输线耦合的完美纠缠量子门的优化。这包括第一次直接优化的非分析门并发。
2022-12-01 quant-ph
Monte Carlo approach for finding optimally controlled quantum gates with differential geometry
Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo（圣卡洛斯物理研究所，圣保罗大学）；Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos（物理系，圣卡洛斯联邦大学）
本文提出利用测地线方法在存在退相干噪声的环境下优化单量子位和双量子位门的控制场，通过随机采样与最优化方法实现能量最优的量子门操作。
2025-11-28 physics.comp-ph quant-ph
Comparing, Optimising and Benchmarking Quantum Control Algorithms in a Unifying Programming Framework
为了给量子模拟、计算和技术中的新应用铺平道路，必须以高精度操纵越来越大的量子系统。这是一个典型的任务，服从数值最优控制，把脉冲的时间过程，即分段恒定的控制幅度，迭代地变成一个优化的形状。在这里，我们提出了广泛的有限维应用的最优控制算法的第一个比较研究。我们专注于最常用的算法：GRAPE方法，同时更新所有控件，KROTOV类型的方法，这样做的顺序。他们的使用准则，并指出开放的研究问题。- 此外，我们还介绍了一种新的统一算法框架，动态优化平台（Dynamicoptimization platform），旨在为量子技术社区提供一个方便的基于MATLAB的优化控制工具集。此外，它为最优控制技术的研究人员提供了一个框架，用于对新提出的算法进行基准测试并将其与最先进的算法进行比较。它允许使用各种类型的梯度、更新和步长方法以及混合匹配方法。子空间选择。包括示例在内的开放源代码可在http://qlib.info上获得。
2011-05-13 math.OC quant-ph
Optimal control theory for unitary transformations
由含时哈密顿量产生的幺正变换很好地描述了受外场驱动的量子系统的动力学。逆问题的领域，产生一个特定的酉变换是研究的主题。量子计算中的幺正变换是对嵌入在更大希尔伯特空间中的量子态子集进行的。最优控制理论（OCT）被用来解决反演问题，而不考虑初始输入状态。一个统一的形式主义，克罗托夫方法的基础上，导致一个新的计划。该方案进行了比较，作为寄存器的$X^1Σ^+_g$的Na $_2$的电子态的振动能级的双量子位傅立叶变换的反转。通过$A^1Σ^+_u$电子态的类拉曼跃迁诱导跃迁。光场被发现，能够实现的傅里叶变换在皮秒的时间尺度。这样的场可以通过飞秒脉冲的脉冲成形技术来获得。在所研究的方案中，平方模方案收敛最快。在Na $_2$分子中实施$Q$量子比特傅立叶变换的研究进行了多达5个量子比特。经典的计算所需的努力，以获得一个给定的保真度的算法估计，以指数级的数量。所观察到的适度缩放的脉冲强度与转换中的量子位数是合理的。
2003-08-31 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
Hybrid Optimization Schemes for Quantum Control
最优控制理论是解决量子力学中控制问题的有力工具，从化学反应的控制到量子计算机中门的实现。基于自适应的优化方法能够找到高保真度的控制，但需要相当大的数值工作，往往会产生高度复杂的解决方案。在这里，我们建议采用一个两阶段的优化方案，以显着加快收敛，实现更简单的控制。该控制最初仅使用几个自由参数进行参数化，使得可以用单纯形方法在该修剪的搜索空间中进行优化。结果，现在被简单地认为是时间网格上的任意函数，是使用基于梯度的方法进行进一步优化的起点，该方法可以快速收敛到高精度。我们说明了这种混合技术的成功，通过优化两个超导transmon量子比特耦合共享传输线谐振器的完整相位门，显示Nelder-Mead单纯形和Krotov的方法的组合产生比单独的两种方法中的任何一种更好的结果。
2015-10-03 quant-ph
Optimal local preparation of an arbitrary mixed state of two qubits. Closed expression for the single copy case
本文考虑了从纠缠纯态$ψ$出发，仅利用局域操作和经典通信辅助，制备任意两比特混合态$ρ$的{ \em single}拷贝的问题.我们给出了所需最小纯态纠缠量的解析表达式，并描述了相应的局域策略。我们还研究了最佳概率概括的前一个过程。
2000-03-01 quant-ph
Gradient-based closed-loop quantum optimal control in a solid-state two-qubit system
量子最优控制可以在实现一组错误率低于容错阈值的通用量子逻辑门中发挥关键作用。开环量子最优控制依赖于对受控量子系统的精确建模，并且不能有效地随系统大小扩展。这些问题可以避免闭环量子最优控制，它利用系统的反馈，以提高控制保真度。在本文中，两个基于梯度的闭环量子最优控制算法，混合量子经典方法（HQCA）中描述的[物理。118，150503（2017）]和有限差分（FD）方法进行了实验研究，并与利用梯度上升方法的开环量子最优控制进行了比较。我们采用一个固态的电子-核自旋耦合系综作为一个双量子比特系统。具体的单量子比特和两个量子比特的状态准备门使用闭环和开环的方法进行优化。实验结果表明，在我们的系统中实现的闭环量子控制优于开环控制。此外，仿真结果表明，HQCA是更强大的比FD方法的梯度噪声，这来源于测量噪声在这个实验设置。另一方面，FD方法对于控制来自非理想硬件的场失真更鲁棒
2018-10-10 quant-ph
Open and closed spin chains as multiprocessor wires: optimal engineering and reachability
我们考虑一维自旋1/2链任意节点之间的状态的完美转移与优化设计的耦合。由于这样的系统可以用作连接多个量子处理器的数据总线，我们推导出两个必须满足的充分必要条件，以便在任何两个节点之间完美地传输状态，并使用它们来检查开放和封闭的几何形状。分析计算和数值优化进行这两种情况下，以确定某些目标状态的可达性，并提供最佳值的耦合，确保完美的保真度。一个重要的发现是，大小均匀的封闭链允许任何一对站点之间的完美传输，因此是一个有前途的平台，用于实现数据总线协议。
2018-11-26 quant-ph
On the optimality of optical pumping for a closed $Λ$-system with large decay rates of the intermediate excited state
我们用最优控制理论证明了对于一个封闭的$Λ$ -系统，激发的中间能级以一个共同的大的速率衰减到较低的水平，最佳的方案之间的人口转移的较低的水平实际上是光泵浦。为了得到这一结果，我们利用大的衰变率来消除弱耦合的激发态，然后对由暗态和亮态组成的基进行变换，最后对变换后的系统进行最优控制。随后，我们证实了最优的光学泵浦方案的原始封闭的$Λ$ -系统使用数值最优控制。我们还证明了数值计算时，光抽运仍然是最佳的衰减率的目标状态大于初始状态或这两个速率不是很大，从对方。目前的工作预计将在遇到这种系统的量子信息处理的各种任务中找到应用。
2022-12-26 physics.atom-ph quant-ph
Optimal control of geometric phase in pairs of interacting atoms traveling along two-dimensional closed paths
针对通用量子门的实现需求，提出一种利用移动光阱操控单原子沿最优设计的二维闭合路径运动，通过偶极-偶极相互作用诱导双原子纠缠残余以产生非平凡Aharonov-Anandan几何相位的方案，并讨论了其抗噪稳定性。
2025-04-15 quant-ph
Gauge fixing, canonical forms and optimal truncations in tensor networks with closed loops
我们描述了一种方法来固定张量网络中的规范自由度，包括那些具有闭合回路的网络，它允许实现任意张量网络的规范形式。此外，提出了一种测量张量网络中存在的内部相关性的方法，该方法量化了网络中闭环周围共振的程度。最后，我们描述了一个算法，从张量网络的内部索引的最佳截断，基于适当的删除冗余的内部相关性。这些结果，这提供了一个统一的理论框架的操作张量网络与闭环，可以应用于改进现有的张量网络方法的研究多体系统，也可能构成复杂的新张量方法的关键算法组件。
2018-05-17 cond-mat.str-el quant-ph
Fast closed-loop optimal control of ultracold atoms in an optical lattice
我们提出的实验证据，成功的闭环优化的冷原子在光晶格的动力学。我们优化加载的超冷原子气体最大限度地减少激发在一维管（3D-1D交叉）的阵列，我们执行的量子相变的最佳交叉从超流体的莫特绝缘体在三维晶格。在这两种情况下，我们提高了实验性能相对于那些通过绝热动力学，有效地加快了超过三个因素的过程，同时提高所需的转换的质量。
2013-03-22 cond-mat.quant-gas quant-ph
Robust quantum control with disorder-dressed evolution
本文提出基于无序修饰演化方程识别鲁棒量子控制脉冲的方法，通过末态纯度判断脉冲鲁棒性，并改进Krotov方法在单量子比特任务中验证其有效性。
2023-04-17 quant-ph
Gate-set evaluation metrics for closed-loop optimal control on nitrogen-vacancy center ensembles in diamond
本文针对金刚石氮-空位中心系综的闭环量子最优控制，比较了四种门集评估指标，展示了权衡并显著提升了门集性能。
2024-03-24 quant-ph
Optimal Control of Closed Quantum Systems via B-Splines with Carrier Waves
我们考虑在封闭的量子系统中确定用于实现逻辑门的电磁脉冲的最优控制问题，其中哈密顿量模拟耦合超导量子的动力学。量子态由薛定谔方程控制，我们用状态向量的实部和虚部来表示，并通过Störmer-Verlet方案求解，这是一种辛分区龙格库塔方法。提出了一种基于载波B样条的控制函数参数化方法。载波用于触发系统哈密顿量中的谐振频率，并且B样条函数指定它们的振幅和相位。这种方法允许控制参数的数量是独立的，并显着小于，积分薛定谔方程的时间步长的数量。我们提出的技术可以如何与内点L-BFGS算法实现量子门相结合的数值例子，并推广我们的方法来计算风险中性控制，是弹性的噪声在哈密顿模型。所提出的方法也被证明可以与QuTiP/pulse\_optim和Grape-Tensorflow进行比较。
2022-08-19 quant-ph
Closed-Form Optimal Quantum Circuits for Single-Query Identification of Boolean Functions
该研究提出了一种单次查询识别布尔函数的闭式最优量子电路，通过显式的量子态制备和测量单元ary实现Helstrom最优成功概率3/4，展示了在最小设置中无需纠缠的低深度电路，并探讨了更广泛查询情况下的构造性方法。
2025-12-17 quant-ph
Optimal Control for Closed and Open System Quantum Optimization
我们提供了一个严格的分析的量子最优控制问题的设置的线性组合$s(t)B+(1-s(t))C$的两个noncommuting哈密顿$B$和$C$。这包括量子退火（QA）和量子近似优化算法（QAOA）。目标是最小化最终"问题“哈密尔顿算子$C$的能量，对于时间依赖和有界控制调度$s(t)\in [0,1]$和$t\in \mc{I}:= [0,t_f]$。最近，在一个纯封闭系统的设置，这个问题的最佳解决方案是一个"bang-anneal-bang“的时间表，与量子退火的标准处方$s(0)=1$和$s(t_f)=0$相反，在$\mc{I}$的有限子区间，特别是$s(0)=0$和$s(t_f)=1$的$s(t)= 0$和$s(t)= 1$的刘海的特点。在这里，我们将这个结果扩展到开放系统的设置，其中系统是由密度矩阵，而不是一个纯态描述。这是QA和QAOA实验实现的自然环境。对于有限维环境，没有任何近似，我们确定充分的条件，确保无论是邦退火，退火邦，或邦退火邦计划是最佳的，并恢复$s(0)=0$和$s(t_f)=1$的最优性。然而，对于无限维的环境和绝热Redfield主方程描述的系统，我们不恢复Bang-type的最优解。事实上，我们只能确定条件下，$s(t_f)=1$，甚至这一结果是不能恢复的完全马尔可夫极限。分析，我们进行了完全的几何框架内庞特里亚金最大值原理，简化使用密度矩阵制剂相比…
2021-07-07 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 Work Extraction from Finite-Time Closed Quantum Dynamics
The University of Tokyo（东京大学）；RIKEN（理化学研究所）
研究有限时间闭合量子系统中功提取的最优策略，揭示功率与功之间的权衡关系，并提出通过非线性自洽方程求解的方法，适用于多体量子系统。
2026-06-29 cond-mat.stat-mech quant-ph
Quantum Markov Decision Processes: Dynamic and Semi-Definite Programs for Optimal Solutions
针对 q-MDP，论文利用动态规划与半定规划的对偶性证明开环及保持经典状态闭环策略下存在平稳最优策略，并给出价值函数计算与双线性规划求解方法。
2025-02-21 cs.SY eess.SY math.OC
A Projection Operator-based Newton Method for the Trajectory Optimization of Closed Quantum Systems
量子最优控制是实现快速态制备和门设计的重要技术。在缺乏解析解的情况下，大多数量子最优控制方法依赖于迭代方案来更新解估计。目前，现有的求解器的收敛速度最多是超线性的。本文提出了一种新的通用求解器的量子最优控制的基础上的投影算子牛顿法轨迹优化，或PRONTO。具体而言，所提出的方法使用投影算子将薛定谔方程直接纳入成本函数，然后使用拟牛顿法最小化。在每次迭代中，通过计算线性二次轨迹优化问题的解析解来获得下降方向。由此产生的方法保证单调收敛在每次迭代和二次收敛的解决方案附近。为了强调PRONTO的潜力，我们给出了一个数值示例，使用它来解决量子位的最佳状态到状态映射问题，并将其性能与最先进的二次最优控制方法进行比较。
2022-10-26 cs.SY eess.SY quant-ph
