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Optimal control of Gmon qubits using Pontyagin's minimum principle: preparing a maximally entangled state with singular bang-bang protocols

机译:使用pontyagin的最小原理对Gmon量子比特进行最佳控制:   用奇异的bang-bang协议准备一个最大纠缠态

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摘要

We apply the theory of optimal control to the dynamics of two "Gmon" qubits,with the goal of preparing a desired entangled ground state from an initialunentangled one. Given an initial state, a target state, and a Hamiltonian witha set of permissible controls, can we reach the target state with coherentquantum evolution and, in that case, what is the minimum time required? Theadiabatic theorem provides a far from optimal solution in the presence of aspectral gap. Optimal control yields the fastest possible way of reaching thetarget state and helps identify unreachable states. In the context of a simplequantum system, we provide examples of both reachable and unreachable targetground states, and show that the unreachability is due to a symmetry. We findthe optimal protocol in the reachable case using three different approaches:(i) a brute-force numerical minimization (ii) an efficient numericalminimization using the bang-bang ansatz expected from the Pontryagin minimumprinciple, and (iii) direct solution of the Pontryagin boundary value problem,which yields an analytical understanding of the numerically obtained optimalprotocols. Interestingly, our system provides an example of singular control,where the Pontryagin theorem does not guarantee bang-bang protocols.Nevertheless, all three approaches give the same bang-bang protocol.
机译:我们将最优控制理论应用于两个“ Gmon”量子位的动力学,目的是从初始的无纠缠态中制备出所需的纠缠基态。给定一个初始状态,一个目标状态以及具有一组允许控制的哈密顿量,我们是否可以通过相干量子演化来达到目标​​状态,在这种情况下,最短时间是多少?在存在侧隙的情况下,绝热定理提供了远非最佳的解决方案。最佳控制可产生最快的达到目标状态的方式,并有助于识别不可达状态。在简单量子系统的背景下,我们提供了可到达和不可到达的目标基态的示例,并显示了不可到达性是由于对称引起的。我们使用三种不同的方法在可达情况下找到了最佳协议:(i)蛮力数值最小化(ii)使用Pontryagin最小原理所期望的bang-bang ansatz进行有效的数值最小化,以及(iii)Pontryagin边界的直接解值问题,通过分析得出对获得的最佳协议的理解。有趣的是,我们的系统提供了一个奇异控制的示例,其中Pontryagin定理不保证Bang-bang协议。尽管如此,所有这三种方法都给出了相同的bang-bang协议。

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