Robust quantum gates using smooth pulses and physics-informed neural networks
量子计算机中退相干的存在需要抑制噪声。通过专门设计的控制脉冲动态校正门提供了一条前进的道路，但硬件特定的实验约束可能会导致复杂性。现有的方法，以获得平滑的脉冲被限制到两个级别的系统，需要优化的噪声实现或限于分段连续的脉冲序列。在这项工作中，我们提出了第一种用于获得真正平滑脉冲的通用方法，该方法可以最大限度地降低对噪声的敏感性，消除对噪声实现进行采样的需要，并对实验噪声的潜在统计数据做出假设。我们使用神经网络，它允许使用大量的优化参数，以充分探索的功能控制空间的参数化的哈密顿。我们证明了我们的方法的能力，通过找到平滑的形状，抑制噪声的影响，在逻辑子空间，以及泄漏出该子空间。
2022-05-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Rapid Driven Reset of a Qubit Readout Resonator
使用电路QED设备，我们展示了一个简单的量子比特测量脉冲形状，产生快速振铃和振铃的读出谐振器，而不管量子比特的状态。该脉冲与方波脉冲的不同之处仅在于包括额外的恒定幅度段，该恒定幅度段被设计成实现从一个稳态种群到另一个稳态种群的快速过渡。使用拉姆齐实验后不久进行的测量脉冲，以量化的剩余人口，我们发现，相比一个方形脉冲，然后延迟，这种脉冲形状减少了腔衰荡的时间尺度的两倍以上的腔时间常数。在低驱动功率下，使用从线性腔模型计算的脉冲参数来实现这种性能;在较高功率下，脉冲参数的经验优化导致类似的性能。
2015-05-22 quant-ph
Smooth optimal control with Floquet theory
本文描述了一种构造时间整形控制脉冲的方法，该脉冲驱动量子系统朝向期望的性质。在具有预定义频率的周期函数方面的参数化允许实现平滑的、通常简单的脉冲形状;它们的优化可以基于具有Floquet理论的变分分析来执行。正如我们所选择的具体例子，这种方法允许控制相互作用的自旋的动力学，使得门操作和纠缠动力学可以实现非常高的精度。
2013-09-03 quant-ph
General solution to inhomogeneous dephasing and smooth pulse dynamical decoupling
为了实现广泛的量子信息技术所需的高保真量子控制，减少噪声和系统不均匀性的影响是一项重要的任务。众所周知，通过使用基于诸如哈恩自旋回波或CPMG之类的方波或三角函数波形的精心设计的脉冲序列，可以使系统与噪声解耦或动态地对非均匀移相不敏感。然而，这种理想的脉冲通常具有挑战性，以高保真度实验实现。在这里，我们发现了一个新的几何框架可视化所有可能的驱动领域，这使得人们能够产生无限数量的平滑，实验可行的脉冲，执行动态解耦或动态校正门任意高阶。我们证明，该方案可以显着提高保真度的单量子位操作中存在的噪声和脉冲上升时间和幅度的实际限制时，考虑到。
2018-02-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Correcting correlated errors for quantum gates in multi-qubit systems using smooth pulse control
在多量子比特系统中，关联误差与其他量子比特之间的相互作用是量子计算机规模化应用的主要障碍之一。我们提出了两种方法来纠正这种噪声，并证明具有高保真度和鲁棒性。我们使用旁观者和入侵者来区分不同参数范围内与目标量子位相互作用的环境。我们所提出的方法结合了解析理论和数值优化，并且对于各种量子比特系统获得平滑的控制脉冲是通用的。理论和数值模拟都证明了该方法的有效性.对于一组单量子位门和两量子位纠缠门，门的量子数在大范围的参数变化上通常高于$0.9999$。与已知的控制波形的比较证明了我们的解决方案的巨大优势。
2021-03-15 cond-mat.supr-con quant-ph
Robust pulses for high fidelity non-adiabatic geometric gate operations in an off-resonant three-level system
提出了一种在共振三能级系统中设计脉冲的方法，以增强非绝热几何门操作的鲁棒性。通过优化脉冲包络的形状，我们表明，门操作是更强大的频率失谐比他们与高斯和方形脉冲。我们的方法提供了一种方法来设计脉冲，可以采用在系统中的鲁棒性对频率变化或非均匀加宽是必需的，并可以扩展到确保对其他物理缺陷，如强度波动和随机噪声的鲁棒性。
2019-03-21 quant-ph
The fastest pulses that implement dynamically corrected gates
动态校正量子系统与其环境之间不必要的相互作用对于实现广泛的量子信息技术所必需的高保真量子控制至关重要。在最近的工作中，我们发现了所有可能的驱动场的完整解空间，这些驱动场在执行单量子比特操作时抑制横向准静态噪声误差。这个解决方案的空间生活在一个简单的几何框架，使它能够获得全球最佳的脉冲受一组实验约束，通过解决某些几何优化问题。在这项工作中，我们解决了这样一个几何优化问题，找到最快的脉冲，实现单量子位门，同时消除横向准静态噪声到二阶。由于时间优化的脉冲是不平滑的，我们提供了一种方法，基于我们的几何方法来获得实验上可行的平滑脉冲，近似的时间最优的门速度损失最小。我们表明，在现实的脉冲上升时间的约束存在下，我们的平滑脉冲显着优于序列的基础上理想的脉冲形状，突出的好处，直接建立实验波形的约束动态校正门设计。
2018-03-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
A smoothing monotonic convergent optimal control algorithm for NMR pulse sequence design
在过去的十年中，人们对在相干量子可控系统中使用基于最优控制的方法越来越感兴趣。这种方法的多功能性已经在核磁共振（NMR）中以特别优雅的方式被证明，其中相干和耗散自旋动力学过程之间的自然分离使得能够在长时间内进行相干量子控制，以将实验塑造成几乎理想地采用自旋系统和外部操纵。这导致了新的设计原则，以及强大的新的实验方法，在磁共振成像，液态和固态NMR光谱。为了使这种发展继续下去并扩大，至关重要的是要不断改进底层的数值算法，以提供与当前仪器上的实现最佳兼容的数值解，同时数值稳定并提供快速单调收敛到目标。针对这些目标，我们在这里提出了一个平滑单调收敛算法的磁共振脉冲序列设计，提高优化稳定性，导致平滑脉冲序列更容易实现实验和潜在的理解内的分析框架现代NMR光谱。
2010-02-08 math.OC physics.chem-ph quant-ph
Quantum control using sequences of simple control pulses
所需的幺正算子的结构化分解被用来导出控制方案，该控制方案仅使用简单的控制脉冲序列（例如具有有限上升和衰减时间的方波或高斯波包）来实现有限能级量子系统的某些控制目标。该技术被应用于找到控制方案，实现人口转移的纯态系统，完整的反转的合奏人口的混合状态系统，创建任意叠加态和优化的合奏平均观测。
2001-05-31 quant-ph
A smoothing theory for open quantum systems: The least mean square approach
与经典的光滑理论不同，量子光滑理论通常不能很好地由量子条件期望定义。本文的目的是提出一种新的基于最小均方误差的量子平滑理论。量子物理量的最小均方估计由对称部分和非对称部分组成，并分别给出了递推方程。
2021-12-26 math.OC quant-ph
Fast and Smooth Quantum Unitary Control of High-Dimensional Spin-Qudits via a Shooting Technique
Université de Strasbourg（斯特拉斯堡大学）；CNRS, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, UMR 7504（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，UMR 7504）；Center for Quantum Nanoscience, Institute for Basic Science（基础科学研究院，量子纳米科学中心）；Ewha Womans University（梨花女子大学）；CNRS, INRIA, Institut de Recherche Mathématique Avancée, UMR 7501（法国国家科学研究中心，INRIA，高等数学研究所，UMR 7501）；CNRS, Institut de Chimie, UMR 7177（法国国家科学研究中心，化学研究所，UMR 7177）
提出一种基于打靶法的优化框架，生成平滑、实验可行的控制脉冲，用于离散量子系统中的量子门实现，在单分子磁体架构上通过数值模拟证明其优于GRAPE算法。
2026-09-22 quant-ph
Optimizing Qubit Control Pulses for State Preparation
本研究针对量子计算中量子比特脉冲操作保真度提升问题，通过分析方波与高斯脉冲包络、调整驱动频率和脉冲时长，提出带频闪误差抑制的超导量子比特脉冲优化方案，可推广至多类量子架构。
2024-09-12 quant-ph
A Square-Root Barrier to Quantum Gate Speed under Linear Coupling
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；ENS Lyon, Inria（里昂高等师范学院，法国国家信息与自动化研究所）
研究线性耦合下量子门速度与脉冲能量的关系，证明固定保真度门速率最多随能量平方根增长，指出需改变相互作用类别以突破该限制。
2026-11-04 math-ph math.MP physics.comp-ph
Qubit gates using hyperbolic secant pulses
早在量子力学发展初期，人们就知道双曲正割脉冲具有一种独特的性质，即它们可以在二能级量子系统上进行循环演化，而与脉冲失谐量无关。最近，人们认识到，它们诱导失谐控制阶段，而不改变状态人口。在这里，我们实验证明了超导transmon量子比特上的双曲正割脉冲的特性，并将其与更常用的高斯波和方波进行对比。我们进一步表明，这些属性可以被利用来实现相位门，名义上不退出计算子空间。这使我们能够证明第一个微波驱动的Z门与一个单一的控制参数，失谐。
2017-04-05 quant-ph
Robust quantum control using smooth pulses and topological winding
实现基于相干量子系统的未来技术所需的高水平控制的最大挑战是环境引起的退相干。在这里，我们提出了一种分析方法，产生明确的约束的驱动场，这是必要的和足够的，以确保领先的顺序噪声引起的错误，在量子比特的演变完全取消。我们推导出两种最常见的量子比特噪声的约束条件：量子比特能量分裂的缓慢波动和驱动场本身的波动。通过在理论上将量子比特波函数中的相位重塑为拓扑缠绕数，我们可以通过调整驱动场参数来满足噪声消除条件，而无需改变目标状态或量子演化。我们通过为两种类型的自旋量子比特构建鲁棒的量子门来展示我们的方法：硅中的磷施主和金刚石中的氮空位中心。
2015-08-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Pulse Quality Optimisation in Quantum Optimal Control
Imperial College London（帝国理工学院）；Flatiron Institute（平顿研究所）
本文提出GECKO方法，通过利用李代数几何优化脉冲质量，提升控制脉冲的保真度和实验可行性。
2026-04-28 quant-ph
Pulse Width Modulation for Speeding Up Quantum Optimal Control Design
本文主要致力于加速复杂量子系统的量子最优控制设计。本文在前人工作的基础上，将脉冲宽度调制（PWM）算法和梯度下降算法结合起来求解量子最优控制问题，在各种情况下都有明显的计算效率提高。为了进一步将该算法应用到潜在的实验中，我们还提出了优化控制解决方案的平滑实现，例如使用高斯脉冲训练来代替矩形脉冲。基于D-正亮氨酸分子的实验数据，数值求解了$3$ -qubit和$6$ -qubit系统的最优控制函数，并与基本GRAPE算法进行了比较，证明了该算法的效率优势.
2022-09-21 quant-ph
Enhancing quantum control by improving shape pulse generation
大多数量子处理器需要脉冲序列来控制量子态。在这里，我们提出了一种替代算法，用于计算一个最佳的脉冲序列，以执行一个特定的任务，是一个量子门或量子态的准备实施。在我们的方法中，我们通过使用有限数量的函数作为射频脉冲的幅度和相位的调制，大大减少了要拟合的参数的数量，并采用近似来使算法快速和可扩展。我们证明了所提出的算法的成功，通过使用NMR对4，7和12量子比特系统进行几个真实的实验。此外，我们还展示了该算法的效率，找到了用于以良好的保真度控制包含16、36和100个量子比特的虚构正方形二维晶格中的自旋的量子态的脉冲。
2019-08-21 quant-ph
Robust quantum control by shaped pulse
考虑到由外场控制两态量子系统的问题，我们建立了一种通用的方法，允许推导出平滑的脉冲，适用于超快应用，具有高保真度，鲁棒性和低面积的特性。这种整形脉冲可以被看作是具有时间相关相位的复合脉冲技术的单发概括。
2013-04-17 physics.atom-ph quant-ph
Ultimate accuracy limit of quantum pulse-compression ranging
雷达使用飞行时间测量来从其返回的往返距离延迟推断到远距离目标的距离。它们通常发射高时间带宽积波形，并使用脉冲压缩接收，以在峰值发射功率约束下同时实现令人满意的距离分辨率和距离精度。尽管有许多关于量子雷达的提议，但没有一个人描绘出测距精度的最终量子极限。我们通过连续时间量子分析得出了这一限制，并表明量子照明（QI）测距-一种量子脉冲压缩雷达，利用高时间带宽积传输信号脉冲和高时间带宽积保留空闲脉冲之间的纠缠-实现了这一限制。我们还表明，QI测距提供的均方距离延迟精度，可以是10的dB优于一个经典的脉冲压缩雷达的相同的脉冲带宽和发射能量。
2021-09-22 physics.optics quant-ph
Fast Non-Adiabatic Two Qubit Gates for the Kane Quantum Computer
在本文中，我们应用两个量子比特幺正的正则分解，以找到脉冲方案来控制建议的凯恩量子计算机。我们明确地找到CNOT，交换，交换的平方根和受控Z旋转的脉冲序列。我们分析了这些门的速度和保真度，这两个比较有利的现有计划。本文提出的脉冲序列在理论上是更快，更高的保真度，比现有的计划简单。任何两个量子比特门可以很容易地找到并使用类似的脉冲序列来实现。数值仿真验证了各脉冲方案的准确性。
2003-05-08 cond-mat quant-ph
Symmetric Rydberg controlled-Z gates with adiabatic pulses
我们分析了中性原子里德堡$C_Z$门的基础上的绝热脉冲对称地施加到两个原子。利用光滑脉冲波形和Cs原子参数的分析预测，利用绝热快速通过（ARP）脉冲，门可以产生具有保真度${\mathcal F}>0.999$的Bell态。利用全局优化的绝热脉冲波形，在双光子激发过程中，我们产生了具有保真度${\mathcal F}=0.997$的Bell态。该分析充分考虑了中间态和里德伯态的自发发射，包括室温环境中的里德伯寿命，但不包括激光噪声引起的误差。门协议不需要单独寻址，并显示出对由于原子运动的多普勒频移是强大的。
2020-06-05 physics.atom-ph quant-ph
Topological and geometric patterns in optimal bang-bang protocols for variational quantum algorithms: application to the $XXZ$ model on the square lattice
在这项工作中，我们解决的挑战，发现模式变分最佳协议，采取系统的基态的多体哈密顿，使用变分量子算法。我们开发了高度优化的经典蒙特卡罗（MC）算法，以找到有限系统大小的正方形晶格XXZ模型的基态之间的转换的最佳协议。MC方法得到最佳的bang-bang协议，预测庞特里亚金的最小值原则。我们确定的最小时间需要达到一个可接受的误差为不同的系统大小的初始和目标状态的函数，并揭示总时间和波函数重叠之间的相关性。我们确定一个动态的相图的最佳协议，不同的阶段，其特征在于由一个拓扑数，即脉冲的数量。作为初始和最终状态的函数的分叉过渡，与最优协议中的新跳跃相关联，划分这些不同的阶段。脉冲的数量与总的演化时间相关。除了识别上述拓扑特征之外，即，在脉冲数方面，我们引入了一个关联函数来表征bang-bang协议的量化几何相似性。我们发现，一个阶段内的协议确实是几何相关的。识别和推断这些协议中的模式可以为量子设备上的高效大规模模拟提供信息。
2021-12-06 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
