Controlling Open Quantum Systems: A challenge for the future of quantum technologies

控制开放量子系统:量子技术未来的挑战

基本信息

项目摘要

The goal of this project is to identify the extent to which the environment of a quantum system can be actively utilized for coherent control by tailored external electric fields. The ability to manipulate quantum systems is an essential requirement for future applications of quantum technologies, and has been successfully demonstrated for isolated systems. However, most technologically relevant quantum systems cannot be considered isolated, and the induced decoherence is a major obstacle to quantum control. In particular, we will focus on condensed phase systems where the environment shows memory effects when responding to the driven system dynamics. This situation is termed non-Markovian, and has attracted a lot of interest recently, since in principle it allows for a back-flow of information from the environment back into the system. The main idea of the proposal is to use this particular feature in the context of coherent control, i.e. to answer the question if memory effects due to specific environmental modes, which cannot be addressed directly by the control fields, can actually increase a predefined control objective, or even make specific objectives accessible, i.e. increasing the controllability.The approach envisaged follows a line from general control theoretical considerations via the modeling of realistic non-isolated quantum systems to experimental realizations in semiconductor quantum dots and dye molecules in solution. As main outcome we expect novel and alternative control scenarios, which go beyond the known strategies relying on decoupling or isolating the system from its environment, and which offer new possibilities in steering non-isolated quantum systems, by specifically exploiting the interaction with their environment.The proposal relies on bringing together experts from different fields, ranging from the fundamental aspects of optimal control theory, the description of open quantum systems, in particular in the context non-Markovian dynamics, experts in chemical physics and semiconductor physics for realistic simulations, and one of the world leading groups in experimental laser control. We believe that this approach will allow us to significantly advance the current fundamental understanding of the control of open quantum systems, in particular by exploiting non-Markovian effects, with important implications for many technologically relevant quantum systems, well beyond the field of atomic and molecular physics.
该项目的目标是确定通过定制的外部电场可以在多大程度上积极利用量子系统的环境进行相干控制。操纵量子系统的能力是量子技术未来应用的基本要求,并且已经在孤立系统中得到了成功的证明。然而,大多数技术相关的量子系统不能被认为是孤立的,诱导退相干是量子控制的主要障碍。特别是,我们将重点关注凝聚相系统,其中环境在响应驱动系统动力学时表现出记忆效应。这种情况被称为非马尔可夫,最近引起了很多兴趣,因为原则上它允许信息从环境回流到系统中。该提案的主要思想是在相干控制的背景下使用这一特定功能,即回答以下问题:由于特定环境模式导致的记忆效应(无法通过控制场直接解决)是否可以实际上增加预定义的控制目标,甚至使特定目标可访问,即增加可控性。所设想的方法遵循从一般控制理论考虑到现实非孤立量子系统建模到实验实现的路线。 溶液中的半导体量子点和染料分子。作为主要成果,我们期望新颖和替代的控制方案,这些方案超越了依赖于将系统与其环境解耦或隔离的已知策略,并且通过专门利用与环境的相互作用,为操纵非隔离量子系统提供了新的可能性。该提案依赖于将来自不同领域的专家聚集在一起,从最优控制理论的基本方面到开放量子系统的描述,特别是在上下文中 非马尔可夫动力学,化学物理和半导体物理现实模拟专家,以及实验激光控制领域的世界领先团队之一。我们相信,这种方法将使我们能够显着推进当前对开放量子系统控制的基本理解,特别是通过利用非马尔可夫效应,对许多技术相关的量子系统产生重要影响,远远超出原子和分子物理领域。

项目成果

期刊论文数量(11)
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专利数量(0)
Time-optimal control of the purification of a qubit in contact with a structured environment
  • DOI:
    10.1103/physreva.99.033410
  • 发表时间:
    2019-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    J. Fischer;Daniel Basilewitsch;C. Koch;D. Sugny
  • 通讯作者:
    J. Fischer;Daniel Basilewitsch;C. Koch;D. Sugny
Quantum trajectory study of laser-driven atomic ionization
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2018.11.031
  • 发表时间:
    2019-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    L. Cruz-Rodríguez;L. Uranga-Piña;A. Martínez-Mesa;C. Meier
  • 通讯作者:
    L. Cruz-Rodríguez;L. Uranga-Piña;A. Martínez-Mesa;C. Meier
Basic mechanisms in the laser control of non-Markovian dynamics
  • DOI:
    10.1103/physreva.97.033411
  • 发表时间:
    2017-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    R. Puthumpally-Joseph;E. Mangaud;V. Chevet;M. Desouter-Lecomte;D. Sugny;O. Atabek
  • 通讯作者:
    R. Puthumpally-Joseph;E. Mangaud;V. Chevet;M. Desouter-Lecomte;D. Sugny;O. Atabek
Beating the limits with initial correlations
  • DOI:
    10.1088/1367-2630/aa96f8
  • 发表时间:
    2017-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Daniel Basilewitsch;R. Schmidt;D. Sugny;S. Maniscalco;C. Koch
  • 通讯作者:
    Daniel Basilewitsch;R. Schmidt;D. Sugny;S. Maniscalco;C. Koch
Towards laser control of open quantum systems: memory effects
  • DOI:
    10.1080/00268976.2017.1319085
  • 发表时间:
    2016-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    R. Puthumpally-Joseph;O. Atabek;E. Mangaud;M. Desouter-Lecomte;D. Sugny
  • 通讯作者:
    R. Puthumpally-Joseph;O. Atabek;E. Mangaud;M. Desouter-Lecomte;D. Sugny
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Professor Dr. Thomas Baumert其他文献

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