論文の概要: Low-rank optimal control of quantum devices
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.18114v1
- Date: Mon, 25 Aug 2025 15:22:17 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-26 18:43:45.837229
- Title: Low-rank optimal control of quantum devices
- Title（参考訳）: 量子デバイスの低ランク最適制御
- Authors: Leo Goutte, Vincenzo Savona,
- Abstract要約: 予測精度を維持しながら計算コストを大幅に削減する計算フレームワークを適用した。
本手法は,現実的なトランスモン共振器-フィルタモデルを用いて,トランスモン量子ビット分散読み出しの最適化に関するベンチマークを行う。
低ランク近似と小型パルスパラメトリゼーションと勾配のない最適化を組み合わせることで、最先端の読み出し代入誤差が得られる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum optimal control is essential for designing high-fidelity quantum operations, but computational demands often limit its application to realistic quantum devices. We apply a computational framework that dramatically reduces the computational cost while maintaining predictive accuracy through the low-rank approximation for simulating open quantum system dynamics. The key insight is that most quantum operation protocols maintain the system in nearly pure states throughout their execution. This enables an efficient representation of the density matrix with rank-$M$ matrices where $M \ll N$ , $N$ being the Hilbert space dimension, achieving substantial speedups without sacrificing accuracy. We benchmark our approach on the optimization of the transmon qubit dispersive readout in a realistic transmon-resonator-filter model with Hilbert space dimension $N = 2000$. Using only $M = 20$, we achieve an 81-fold speedup compared to full master equation integration while accurately reproducing all relevant observables. By combining the low-rank approximation with a compact pulse parametrization and gradient-free optimization, we obtain state-of-the-art readout assignment errors $\varepsilon_a \approx 1.2 \times 10^{-3}$ for a 40 ns readout pulse schedule, while comfortably running on a laptop and not relying on the rotating-wave approximation. Our approach is broadly applicable to most quantum control protocols, including quantum gates, state preparation, and fast reset operations. It represents a powerful resource and a step forward in quantum optimal control, making accurate large-scale device optimization more accessible with greatly reduced computational resources and accelerating progress toward scalable quantum technologies.
- Abstract（参考訳）: 量子最適制御は高忠実度量子演算の設計に不可欠であるが、計算要求はしばしば現実的な量子デバイスへの応用を制限する。
オープン量子系力学をシミュレーションする低ランク近似を用いて予測精度を保ちながら計算コストを劇的に削減する計算フレームワークを適用した。
重要な洞察は、ほとんどの量子演算プロトコルが、実行を通してほぼ純粋な状態でシステムを維持することである。
これにより、ランク-M$行列を持つ密度行列の効率的な表現が可能となり、$M \ll N$ ,$N$ はヒルベルト空間次元であり、精度を犠牲にすることなくかなりのスピードアップを達成できる。
我々は、ヒルベルト空間次元$N = 2000$の現実的トランスモン共振器フィルタモデルにおいて、トランスモン量子ビットの分散読み出しの最適化について、我々のアプローチをベンチマークする。
M = 20$ のみを用いて、すべての関連する観測可能量を正確に再現しながら、完全なマスター方程式の統合と比較して81倍のスピードアップを達成する。
低ランク近似と小型パルスパラメトリゼーションと勾配のない最適化を組み合わせることで、40 nsの読み出しパルススケジュールに対して最先端の読み出し代入誤差$\varepsilon_a \approx 1.2 \times 10^{-3}$を得る。
我々のアプローチは、量子ゲート、状態準備、高速リセット操作など、ほとんどの量子制御プロトコルに適用できる。
これは強力なリソースであり、量子最適制御の一歩であり、計算リソースを大幅に削減し、スケーラブルな量子技術への進歩を加速することで、正確な大規模デバイス最適化をよりアクセスしやすくする。
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