Robust quantum optimal control for Markovian quantum systems

量子 马尔可夫过程 量子控制 物理 统计物理学 计算机科学 量子力学 数学 统计
作者
Ran Liu,Xiaodong Yang,Jun Li
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:110 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/physreva.110.012402
摘要

Resisting diverse noise effects is crucial for the accurate manipulation of quantum systems. For static or slowly varying noises, many efficient noise mitigation strategies have been developed, such as composite pulses and dynamical decoupling. However, for fast fluctuating noise in the Markovian limit, whether and to what extent coherent quantum control can enhance quantum engineering tasks remains unclear and less explored. Here, we propose a robust quantum optimal control method to tackle Markovian noises. The basic idea is that, regarding the Markovian noise channel as perturbation, we quantitatively characterize the noise-induced error evolution by the perturbative expansion term, and then take them as the objective functions to be suppressed. During optimization, the optimal controls are obtained by maximizing the control target function and meanwhile minimizing the perturbative terms due to Markovian noise order by order. As demonstration examples, we first apply our method to quantum state transfer tasks on two-level and three-level $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}$ systems, then use it to design quantum gates in two-level and three-level ladder systems, all under Markovian noises. The simulation results illustrate that our method can notably enhance quantum state transfer fidelities and have very limited improvement on gate fidelities. The method presented here is versatile and can be extended to enhance the performance of various control tasks under Markovian noise in multilevel or multiqubit quantum systems.
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