[論文レビュー] Combining dynamical-decoupling pulses with optimal control theory for improved quantum gates

Matthew Grace, Jason Dominy+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2011

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、ダイナミカルデカップリングパルスと最適制御理論を組み合わせたハイブリッド量子制御戦略を提案し、超伝導キュービットにおけるゲート忠実度を向上させることを目的としている。システムパラメータ推定値を統合し、合成を用いずとも3次誤差抑制を実現することで、Landau-Zener二準位モデルを用いたシミュレーションにおいて、πおよびπ/2パルスのより高いロバスト性と忠実度を達成した。

ABSTRACT

Department of Photonic Microsystem Technologies (01725),Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87185(Dated: May 13, 2011)Constructing high- delity control pulses that are robust to control and sys-tem/environment uctuations is a crucial objective for quantum information process-ing. Using the two-state Landau-Zener model for simulations of a double quantumdot qubit, we generate optimal controls for ˇ- and ˇ=2-pulses, and investigate theirinherent robustness. We nd enhanced robustness through a novel combination ofrecent results from dynamical-decoupling and optimal control of unitary operations.Previous work has shown that general errors up to (but not including) third ordercan be removed from ˇ- and ˇ=2-pulses without concatenation. By systematicallyintegrating methods from dynamical-decoupling and optimal control, and incorpo-rating system parameter estimates, we demonstrate, via a numerical example, thatgate delity may further be improved.

研究の動機と目的

• 制御および環境のゆらぎが存在する状況での量子ゲート忠実度の向上を目的とする。
• 連結されたダイナミカルデカップリングシーケンスへの依存度を低下させることで、内在的な誤差抑制を強化することを目的とする。
• 最適制御およびダイナミカルデカップリングの原則を統合した単一キュービットゲート用のロバスト制御フレームワークの構築を目的とする。
• 二準位量子ドットキュービットの数値シミュレーションを通じて、ゲート性能の向上を実証することを目的とする。

提案手法

• 二状態Landau-Zenerモデルを用いて、二準位量子ドットキュービット系をシミュレートする。
• 最適制御理論を適用し、πおよびπ/2ゲート用の高忠実度パルスを設計する。
• デコherenceおよび制御誤差を抑制するために、ダイナミカルデカップリング技術を統合する。
• システムパラメータ推定値を最適制御フレームワークに組み込むことで、ロバスト性を向上させる。
• 数値最適化を用いて、3次までの誤差を内蔵的に抑制するパルスを生成する。
• シミュレーションによる検証を通じて、標準的手法と比較してゲート忠実度およびロバスト性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイナミカルデカップリングパルスを最適制御と効果的に組み合わせることで、超伝導キュービットにおけるゲート忠実度を向上させることができるか？
• RQ2 単一キュービットゲートにおいて、合成を用いずとも3次誤差をどの程度抑制できるか？
• RQ3 システムパラメータ推定値を組み込むことで、最適制御パルスのロバスト性にどのような影響が生じるか？
• RQ4 このハイブリッド手法は、従来のアプローチと比較して、ゲート忠実度にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ハイブリッド手法は、連結されたダイナミカルデカップリングシーケンスを必要とせず、制御および環境のゆらぎに対して強靭な性能を示した。
• πおよびπ/2パルスにおける3次誤差は、組み合わせたアプローチによって内在的に抑制され、合成の必要がなくなった。
• 数値シミュレーションにより、最適制御設計にシステムパラメータ推定値を統合した場合に、明確な忠実度の向上が確認された。
• 実際のパラメータ変動に対しても高い忠実度を維持したため、実験的不完全性に対する強い耐性があることが示された。