[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种混合量子控制策略，将动态解耦脉冲与最优控制理论相结合，以提升超导量子比特中的门保真度。通过整合系统参数估计并利用无需级联的三阶误差抑制，该方法在使用兰道-济奈二能级模型进行仿真时，实现了π和π/2脉冲的更高鲁棒性和保真度。

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.

研究动机与目标

• 在存在控制和环境波动的情况下，提升量子门保真度。
• 通过增强内在误差抑制能力，减少对级联动态解耦序列的依赖。
• 利用最优控制和动态解耦原理，开发一种单量子比特门的鲁棒控制框架。
• 通过双量子点量子比特的数值仿真，展示改进的门性能。

提出的方法

• 使用两态兰道-济奈模型模拟双量子点量子比特系统。
• 应用最优控制理论设计高保真度的π和π/2门脉冲。
• 整合动态解耦技术以抑制退相干和控制误差。
• 将系统参数估计整合进最优控制框架，以增强鲁棒性。
• 通过数值优化生成具有内在三阶误差抑制能力的脉冲。
• 通过仿真验证该方法，将门保真度和鲁棒性与标准方法进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态解耦脉冲能否与最优控制有效结合，以提升超导量子比特中的门保真度？
• RQ2 在单量子比特门中，无需级联的情况下，三阶误差能被抑制到何种程度？
• RQ3 将系统参数估计整合进最优控制脉冲会对鲁棒性产生何种影响？
• RQ4 与传统方法相比，该混合方法对门保真度的影响如何？

主要发现

• 该混合方法在无需级联动态解耦序列的情况下，显著增强了对控制和环境波动的鲁棒性。
• 通过联合方法，π和π/2脉冲中的三阶误差得到内在抑制，无需级联。
• 数值仿真表明，当将系统参数估计整合进最优控制设计时，门保真度得到可测量的提升。
• 该方法在实际参数波动下仍保持高保真度，表明对实验不完美具有强鲁棒性。