مقاله مقدمه ای بر جنبه های نظری و تجربی کنترل بهینه کوانتومی

چکیده

Quantum optimal control is a set of methods for designing time-varying electromagnetic fields to perform operations in quantum technologies. This tutorial paper introduces the basic elements of this theory based on the Pontryagin maximum principle, in a physicist-friendly way. An analogy with classical Lagrangian and Hamiltonian mechanics is proposed to present the main results used in this field. Emphasis is placed on the different numerical algorithms to solve a quantum optimal control problem. Several examples ranging from the control of two-level quantum systems to that of Bose-Einstein Condensates (BEC) in a one-dimensional optical lattice are studied in detail, using both analytical and numerical methods. Codes based on shooting method and gradient-based algorithms are provided. The connection between optimal processes and the quantum speed limit is also discussed in two-level quantum systems. In the case of BEC, the experimental implementation of optimal control protocols is described, both for two-level and many-level cases, with the current constraints and limitations of such platforms. This presentation is illustrated by the corresponding experimental results.

چکیده به فارسی (ترجمه ماشینی)

کنترل بهینه کوانتومی مجموعه ای از روشها برای طراحی زمینه های الکترومغناطیسی متغیر زمان برای انجام عملیات در فن آوری های کوانتومی است.این مقاله آموزش عناصر اساسی این نظریه را بر اساس اصل حداکثر پونترژین ، به روشی دوستانه فیزیکدان معرفی می کند.قیاس با مکانیک کلاسیک Lagrangian و Hamiltonian برای ارائه نتایج اصلی مورد استفاده در این زمینه پیشنهاد شده است.برای حل یک مشکل کنترل بهینه کوانتومی ، بر الگوریتم های مختلف عددی تأکید شده است.چندین نمونه از کنترل سیستم های کوانتومی دو سطح گرفته تا میعانات بوز-انیشتین (BEC) در یک شبکه نوری یک بعدی با استفاده از هر دو روش تحلیلی و عددی به تفصیل مورد مطالعه قرار می گیرد.کدهای مبتنی بر روش تیراندازی و الگوریتم های مبتنی بر شیب ارائه شده است.اتصال بین فرآیندهای بهینه و حد سرعت کوانتومی نیز در سیستم های کوانتومی دو سطح مورد بحث قرار گرفته است.در مورد BEC ، اجرای تجربی پروتکل های کنترل بهینه ، هم برای موارد دو سطح و هم در سطح بسیار ، با محدودیت های فعلی و محدودیت های چنین سیستم عامل ها شرح داده شده است.این ارائه با نتایج تجربی مربوطه نشان داده شده است.