[논문 리뷰] Differential Evolution for Quantum Robust Control: Algorithm, Applications and Experiments

Daoyi Dong, Xing Xi외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 13.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다수의 샘플과 혼합 돌연변이 전략을 사용하는 msMS_DE라는 향상된 유전적 알고리즘을 제안하여 양자 강건 제어 문제를 해결한다. 두광자 흡수 및 할로메탄 분해를 위한 펌토세컨드 레이저 펄스 설계에서 뛰어난 성능을 보이며, 레이저 제어 시스템에서 실험적으로 성공적으로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비균일성과 불확실성에 노출된 양자 시스템에서의 강건 제어 문제를 해결하기 위해.
• 실험적 제약 조건 하에서 복잡한 양자 제어 작업을 처리할 수 있는 효율적인 최적화 알고리즘을 개발하기 위해.
• 이중광자 흡수 및 분자의 분해와 같은 양자 과정을 위한 펌토세컨드 레이저 펄스를 효과적으로 설계하기 위해.

제안 방법

• msMS_DE 알고리즘은 시스템 변동에 대한 강건성을 향상시키기 위해 적합도 평가 시 다수의 샘플을 사용한다.
• 돌연변이 연산에서 다양한 돌연변이 전략을 조합한 혼합 전략을 사용하여 탐색과 이용 능력을 향상시킨다.
• 알고리즘은 개방된 비균일한 양자 집합과 불확실한 양자 네트워크에 적용되어 공통의 문제를 해결한다.
• 적합도 평가는 다양한 시스템 실현 사례의 성능을 통합하여 강건성을 확보한다.
• 이 방법은 펌토세컨드 레이저 제어 시스템에 실험적으로 구현되어 최적화된 레이저 펄스를 생성한다.
• 수치적 및 실험적 결과는 알고리즘이 실제 양자 제어 작업에서 효과적임을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 msMS_DE는 비균일한 양자 집합에 대해 강건한 제어장을 효과적으로 최적화할 수 있는가?
• RQ2 msMS_DE의 혼합 돌연변이 전략은 양자 제어에서 표준 유전적 알고리즘에 비해 얼마나 잘 성능을 발휘하는가?
• RQ3 msMS_DE는 이중광자 흡수 및 분자의 분해를 위한 실험적으로 구현 가능한 펌토세컨드 레이저 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ4 msMS_DE는 불확실한 양자 네트워크 내에서 공통 문제를 해결하는 데 어떤 성능을 보이는가?
• RQ5 적합도 평가 시 다수의 샘플을 사용함으로써 양자 시스템의 제어 강건성이 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• msMS_DE는 실험 검증을 통해 강건한 레이저 펄스를 성공적으로 생성하여 강력한 이중광자 흡수 신호를 달성하였다.
• 알고리즘이 펌토세컨드 레이저 펄스를 사용하여 CH2BrI 분자의 분해를 효과적으로 제어하는 데 뛰어난 성능을 보였다.
• 수치적 결과는 msMS_DE가 표준 유전적 알고리즘보다 양자 강건 제어 문제를 해결하는 데 뛰어나게 성능을 발휘함을 확인하였다.
• 적합도 평가 시 다수의 샘플을 사용함으로써 불확실한 양자 시스템 전반에 걸쳐 제어장의 강건성이 크게 향상됨을 입증하였다.
• 실험적 구현은 msMS_DE가 실시간 양자 제어 응용 분야에서 실용적으로 구현 가능함을 검증하였다.
• msMS_DE의 혼합 돌연변이 전략은 복잡하고 고차원적인 양자 제어 지형에서 수렴성과 탐색 능력을 향상시켰다.