[論文レビュー] Data-driven synthesis of high-fidelity triaxial magnetic waveforms for quantum control

G. Bevilacqua, V. Biancalana+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2026

Magnetic properties of thin films被引用数 0

ひとこと要約

論文は、アンプ–コイル系のFIRベースの伝達関数を同定し周波数領域でそれを反転して駆動信号を事前補償することにより、任意の三軸磁場をデータ駆動で合成する方法を提案し、忠実度の実験検証を行う。

ABSTRACT

We present a system for generating arbitrary, triaxial magnetic waveforms with a spectral content spanning from DC to tens of kHz, a critical capability for quantum control and spin manipulation. To compensate for amplifier-coil dynamics, we implement a data-driven approach to identify a numerical compensation model. The method parametrizes the system response using a Finite Impulse Response (FIR) filter calibrated on the specific waveform to be generated. The application of a driving signal designed via frequency-domain inversion of the identified model enables the synthesis of complex field sequences with sharp transitions between static and single- or multi-frequency temporal segments. The work is validated with experimental results demonstrating waveform fidelity and transient performance, thereby showcasing the precision and feasibility of the method.

研究の動機と目的

• 量子状態操作とハミルトニアン工学のための時変三軸磁場の正確な制御を動機づける。
• 細かな回路モデルに依存せず、アンプ–コイルダイナミクスを補償する柔軟なデータ駆動ワークフローを開発する。
• DCからkHz領域の磁場波形を三軸で正確な振幅と位相で発生させる。
• スピン操作プロトコルの再構成を迅速に行い高忠実度の波形合成を実証する。

提案手法

• アンプ–コイルを線形時不変系としてモデル化し、入力–出力データからFIRフィルタを用いて伝達関数を同定する。
• ターゲット波形から導出された較正信号を用いた重み付き最小二乗法（WLS）でFIR係数を較正する。
• ゼロパディングと Wiener正則化を用いて周波数領域で同定FIRモデルを反転し、事前補償された入力電圧を計算する。
• 事前補償された電圧を三つの独立したアンプに適用し、直交コイルを駆動して三軸場を合成する。
• WLSにおける重み付けを説明し、特にt=0の遷移など重要な時間区間での正確性を優先させる。
• FIRベースの反転をFFTベースの名目手法と比較するオプションを挙げ、因果性と安定性の利点を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DCから tens of kHzまでのダイナミクスをFIRモデルがデータ駆動で正確に捉えられるか？
• RQ2 同定したFIRモデルの周波数領域での反転により複雑な三軸磁場波形の高忠実度合成を実現できるか？
• RQ3 FIR同定における重み付けは重要な遷移での過渡的忠実度にどのように影響するか？
• RQ4 ハードウェアや波形要件の変更時の再較正の実用的スループットはどれくらいか？

主な発見

• FIR/WLS同定と周波数領域での反転は、非理想的なアンプ–コイルダイナミクスを効果的に補償する。
• 静止状態から多周波数振動場への要求の高い遷移でも波形忠実度が高い。
• 粗いハードウェア調整と迅速なソフトウェア同定によって再構成を数十秒以内に実現できる。
• 零次FFTベースの特性評価のみでは遷移変動とリンギングが顕著に生じるが、FIRベースの反転はそれらを抑制する。
• DCから tens of kilohertzの帯域に対応し、同期した正確な三軸場生成が可能である。