Exploring the complexity of quantum control optimization trajectories

文献情報

出版日 2014-11-07
DOI 10.1039/C4CP03853C
インパクトファクター 3.676
著者

Arun Nanduri, Ofer M. Shir, Ashley Donovan, Tak-San Ho, Herschel Rabitz


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要旨

The control of quantum system dynamics is generally performed by seeking a suitable applied field. The physical objective as a functional of the field forms the quantum control landscape, whose topology, under certain conditions, has been shown to contain no critical point suboptimal traps, thereby enabling effective searches for fields that give the global maximum of the objective. This paper addresses the structure of the landscape as a complement to topological critical point features. Recent work showed that landscape structure is highly favorable for optimization of state-to-state transition probabilities, in that gradient-based control trajectories to the global maximum value are nearly straight paths. The landscape structure is codified in the metric R ≥ 1.0, defined as the ratio of the length of the control trajectory to the Euclidean distance between the initial and optimal controls. A value of R = 1 would indicate an exactly straight trajectory to the optimal observable value. This paper extends the state-to-state transition probability results to the quantum ensemble and unitary transformation control landscapes. Again, nearly straight trajectories predominate, and we demonstrate that R can take values approaching 1.0 with high precision. However, the interplay of optimization trajectories with critical saddle submanifolds is found to influence landscape structure. A fundamental relationship necessary for perfectly straight gradient-based control trajectories is derived, wherein the gradient on the quantum control landscape must be an eigenfunction of the Hessian. This relation is an indicator of landscape structure and may provide a means to identify physical conditions when control trajectories can achieve perfect linearity. The collective favorable landscape topology and structure provide a foundation to understand why optimal quantum control can be readily achieved.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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