Theoretical study of finite-time quantum control in open quantum systems

开放量子系统中有限时间量子控制的理论研究

基本信息

批准号：
18J00454
负责人：
布能謙
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、有限時間で環境と相互作用にさらされている量子系を効率的に制御する手法（有限時間量子制御の手法）を明らかにすることである。この目的を達成するために、今年度では、counter-diabatic driving(CD)と呼ばれる、量子制御の手法が、環境によってどの程度パフォーマンスが低下するのかを明らかにした。この研究は、孤立系を最適制御するための量子制御手法が環境と相互作用する量子開放系でどの程度効率的に動作するのかという問題を解決し、開放系での最適制御手法を得るための重要な一歩になるのではないかと考えている。孤立量子系を効率的に制御する手法として、CDと呼ばれる手法は、量子系の非断熱的なエネルギー励起を打ち消すことができ、量子情報処理のプロトコルを高速化することができるだけでなく、量子熱機関を最大効率で高速化することができることも知られている。これらの結果は系が孤立していることを仮定しているため、実際の実験の状況のように、環境と系が相互作用している状況では、CDの効率は低下すると考えられている。そこで、本研究では、環境と相互作用する状況を取り扱うため、スピン・ボゾンモデルを用いて、量子操作のフィデリティの下限（環境によるエラーの上限）を求めた。量子速度限界などといった厳密な解析手法を用いることによって、量子マスター方程式が適用できる範囲を超えて、一切の近似無しでCDのパフォーマンスの下限を求めることができた。さらに、得られた不等式の等号成立条件は、環境と系の間の相互作用を時間的に変化させることで達成できることを示し、さらに等号成立のときはフィデリティが1となることを見出した。このプロトコルは、開放系でCDのエラーをゼロにすることができ、断熱過程のショートカットを実現できることを示している。

这项研究的目的是阐明一种有效控制在有限时间与环境相互作用的量子系统的方法（有限的量子控制方法）。为了实现这一目标，今年我们已经确定了量子控制技术（称为抵绝热驾驶（CD））在多大程度上可以根据环境降低性能。这项研究认为，这将是解决如何在与环境相互作用的量子开放系统中运行的有效控制孤立系统的有效量子控制方法的重要一步，并为开放系统获得最佳的控制方法。作为有效控制孤立量子系统的一种方法，一种称为CD的技术可以取消量子系统的非绝热能量激励，并且众所周知，不仅可以加快量子信息处理协议，而且可以以最大的效率加快量子加热发动机。这些结果假定系统是孤立的，因此在环境和系统相互作用的情况下，例如在实际的实验情况下，CD效率被认为会降低。因此，在这项研究中，为了处理与环境相互作用的情况，我们使用了旋转玻色子模型来确定量子操作的忠诚度（由于环境引起的误差的上限）的下限。通过使用严格的分析技术，例如量子速度极限，我们能够找到CD性能的下限而无需任何近似值，超出了可以应用量子主方程的范围。此外，已经表明，随着时间的推移，可以通过更改环境与系统之间的相互作用来实现所获得的不平等的平等条件，并且在建立平等时，忠诚度为1。该协议证明CD误差可以在开放的系统中归零，并且可以实现绝缘过程中的快捷方式。