[論文レビュー] Differential Evolution for Quantum Robust Control: Algorithm, Applications and Experiments

Daoyi Dong, Xing Xi+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、量子ロバスト制御問題を解くために複数のサンプルと混合変異戦略を用いた改善された微分進化アルゴリズムであるmsMS_DEを提案する。2光子吸収およびハロメタン分解のためのフェムト秒レーザーパルスの設計において優れた性能を示し、レーザー制御システムでの実験的妥当性も確認された。

ABSTRACT

Robust control design for quantum systems has been recognized as a key task in quantum information technology, molecular chemistry and atomic physics. In this paper, an improved differential evolution algorithm of msMS_DE is proposed to search robust fields for various quantum control problems. In msMS_DE, multiple samples are used for fitness evaluation and a mixed strategy is employed for mutation operation. In particular, the msMS_DE algorithm is applied to the control problem of open inhomogeneous quantum ensembles and the consensus problem of a quantum network with uncertainties. Numerical results are presented to demonstrate the excellent performance of the improved DE algorithm for these two classes of quantum robust control problems. Furthermore, msMS_DE is experimentally implemented on femtosecond laser control systems to generate good signals of two photon absorption and control fragmentation of halomethane molecules CH2BrI. Experimental results demonstrate excellent performance of msMS_DE in searching effective femtosecond laser pulses for various tasks.

研究の動機と目的

• 不均一性および不確実性にさらされる量子系におけるロバスト制御の課題に対処すること。
• 実験的制約下でも複雑な量子制御タスクを効率的に処理できる最適化アルゴリズムの開発。
• 2光子吸収や分子分解などの量子プロセスのための効果的なフェムト秒レーザーパルスの設計を可能にすること。

提案手法

• msMS_DEアルゴリズムは、システムのばらつきに対するロバスト性を高めるために、適応度評価時に複数のサンプルを用いる。
• 変異操作では、異なる変異スキームを組み合わせた混合戦略を採用し、探索と開拓の両方を向上させる。
• アルゴリズムは、一様でない量子集合および不確実な量子ネットワークに対して適用され、一致問題を解く。
• 適応度評価では、複数のシステム実現のパフォーマンスを統合することで、ロバスト性を確保する。
• 手法はフェムト秒レーザー制御システムに実装され、最適化されたレーザーパルスが生成された。
• 数値的および実験的結果により、アルゴリズムの実世界における量子制御タスクへの有効性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 msMS_DEは、不均一な量子集合に対してロバスト制御場を効果的に最適化できるか？
• RQ2 msMS_DEにおける混合変異戦略は、量子制御における標準的な微分進化と比較して、どの程度優れた性能を示すか？
• RQ3 msMS_DEは、2光子吸収および分子分解のための実験的に実現可能なフェムト秒レーザーパルスを生成できるか？
• RQ4 msMS_DEは、不確実な量子ネットワーク内での一致問題を解く際に、どの程度の性能を示すか？
• RQ5 適応度評価における複数のサンプルの使用が、不確実な量子システムにおける制御のロバスト性をどの程度向上させるか？

主な発見

• msMS_DEは、実験的妥当性確認において、強い2光子吸収信号を達成するロバストなレーザーパルスを効果的に生成した。
• アルゴリズムは、フェムト秒レーザーパルスを用いたCH2BrI分子の分解制御において優れた性能を示した。
• 数値的結果により、msMS_DEが量子ロバスト制御問題を解く際に、標準的な微分進化を上回ることが確認された。
• 適応度評価における複数のサンプルの使用は、不確実な量子システム全体における制御場のロバスト性を顕著に向上させた。
• 実験的実装により、msMS_DEがリアルタイム量子制御アプリケーションにおける実用的妥当性を有することが検証された。
• msMS_DEにおける混合変異戦略は、複雑で高次元の量子制御ランドスケープにおける収束性と探索性を向上させた。