Theoretical study of finite-time quantum control in open quantum systems

开放量子系统中有限时间量子控制的理论研究

• 批准号: 18J00454
• 负责人: 布能 謙
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J00454/
• 关键词: 断熱過程のショートカット; 量子制御理論; 量子開放系; 量子制御; 量子熱力学; 量子速度限界

本研究の目的は、有限時間で環境と相互作用にさらされている量子系を効率的に制御する手法（有限時間量子制御の手法）を明らかにすることである。この目的を達成するために、今年度では、counter-diabatic driving(CD)と呼ばれる、量子制御の手法が、環境によってどの程度パフォーマンスが低下するのかを明らかにした。この研究は、孤立系を最適制御するための量子制御手法が環境と相互作用する量子開放系でどの程度効率的に動作するのかという問題を解決し、開放系での最適制御手法を得るための重要な一歩になるのではないかと考えている。孤立量子系を効率的に制御する手法として、CDと呼ばれる手法は、量子系の非断熱的なエネルギー励起を打ち消すことができ、量子情報処理のプロトコルを高速化することができるだけでなく、量子熱機関を最大効率で高速化することができることも知られている。これらの結果は系が孤立していることを仮定しているため、実際の実験の状況のように、環境と系が相互作用している状況では、CDの効率は低下すると考えられている。そこで、本研究では、環境と相互作用する状況を取り扱うため、スピン・ボゾンモデルを用いて、量子操作のフィデリティの下限（環境によるエラーの上限）を求めた。量子速度限界などといった厳密な解析手法を用いることによって、量子マスター方程式が適用できる範囲を超えて、一切の近似無しでCDのパフォーマンスの下限を求めることができた。さらに、得られた不等式の等号成立条件は、環境と系の間の相互作用を時間的に変化させることで達成できることを示し、さらに等号成立のときはフィデリティが1となることを見出した。このプロトコルは、開放系でCDのエラーをゼロにすることができ、断熱過程のショートカットを実現できることを示している。

は の purpose this study, finite time と で environment interaction に さ ら さ れ て い る quantum system を sharper rate に suppression す る technique (royal の technique finite time quantum system) を Ming ら か に す る こ と で あ る. こ の purpose を reach す る た め に, our で は, counter - diabatic driving (CD) と shout ば れ る, royal の gimmick が quantum system and environment に よ っ て ど の degree パ フ ォ ー マ ン ス が low す る の か を Ming ら か に し た. は こ の study the optimal suppression, isolated を す る た め の quantum system method of equestrian と が environment interaction す る quantum open system で ど の level working rate に action す る の か と い う を solve し, open で の optimum system equestrian method to を る た め の important な step に な る の で は な い か と exam え て い る. The rate of isolated quantum system を unseen に suppression す る gimmick と し て, CD と shout ば れ る gimmick は, quantum の not broken hot な エ ネ ル ギ ー wound up を stone ち す elimination こ と が で き, quantum information 処 の プ ロ ト コ ル high speed を す る こ と が で き る だ け で な く, quantum heat engine masato を largest high speed working rate で す る こ と が で き る こ と も know ら れ て い る. こ れ ら の results は department が し て い る こ と を 仮 set し て い る た め, be interstate の be 験 の condition の よ う に interaction, environmental と が し て い る condition で は, CD の sharper rate low は す る と exam え ら れ て い る. そ こ で, this study で は interaction, environmental と す る condition を take り Cha う た め, ス ピ ン · ボ ゾ ン モ デ ル を with い て, quantum operation の フ ィ デ リ テ ィ の floor (environment に よ る エ ラ ー の ceiling) を o め た. Quantum speed limit な ど と い っ た 厳 dense な parsing technique を with い る こ と に よ っ て, quantum マ ス タ が ー equations applicable で き る van 囲 を super え て, all の approximate し で CD の パ フ ォ ー マ ン ス の floor め を o る こ と が で き た. さ ら に, ら れ た inequality の と は established equal conditions, environment is の interaction between の を に of time - the さ せ る こ と で reached で き る こ と を し, さ ら に equals established の と き は フ ィ デ リ テ ィ が 1 と な る こ と を shows し た. こ の プ ロ ト コ ル は, open で CD の エ ラ ー を ゼ ロ に す る こ と が で き, thermal process の シ ョ ー ト カ ッ ト を be presently で き る こ と を shown し て い る.

项目成果

開放系における量子速度限界

开放系统中的量子速度极限

• 发表时间: 2019
• 作者: 布能謙;白石直人;齊藤圭司
• 通讯作者: 齊藤圭司

Speeding up a quantum refrigerator via counterdiabatic driving

• DOI: 10.1103/physrevb.100.035407
• 发表时间: 2019-05
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: K. Funo;Neill Lambert;B. Karimi;J. Pekola;Y. Masuyama;F. Nori

Enhancing the driving speed of a quantum refrigerator via counter-diabatic driving

通过反绝热驱动提高量子冰箱的驱动速度

• 发表时间: 2019
• 作者: Ken Funo;Neill Lambert;Bayan Karimi;Jukka Pekola;Yuta Masuyama;Franco Nori
• 通讯作者: Franco Nori

量子コヒーレンスによる熱力学的不確定性関係の実効的無効化

通过量子相干性有效消除热力学不确定性关系

• 发表时间: 2020
• 作者: Ken Funo;Naoto Shiraishi and Keiji Saito;布能 謙
• 通讯作者: 布能 謙

Speed limits for open quantum systems

开放量子系统的速度限制

• 发表时间: 2019
• 作者: Ken Funo;Neill Lambert;Bayan Karimi;Jukka Pekola;Yuta Masuyama;Franco Nori;Ken Funo
• 通讯作者: Ken Funo