論文の概要: Low-rank optimal control of quantum devices

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.18114v2
• Date: Fri, 24 Oct 2025 19:51:21 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-28 17:41:21.759232
• 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: 密度行列に対する低ランクアンサッツを仮定することにより、量子情報デバイスの制御プロトコルをシミュレートできることを実証する。 低ランクな仮定では、これらのプロトコルのシミュレーションは完全なリンドブラッドマスター方程式を解くよりもはるかに高速である。
• 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: We demonstrate that the control protocols of quantum information devices can be simulated by assuming a low-rank ansatz for the density matrix. The rationale underlying this assumption is that quantum information protocols, by design, operate in a regime of nearly pure quantum states. Within the low-rank assumption, the simulation of these protocols is considerably faster than solving the full Lindblad master equation. This advantage can be used to increase the accuracy of the simulation by avoiding uncontrolled approximations, and to streamline protocol optimization. We benchmark our approach on the optimization of the transmon qubit dispersive readout in a realistic transmon-resonator-filter model. With Hilbert space dimension $N = 2000$, assuming a rank as low as $M = 20$ we achieve a nearly 100-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. This establishes low-rank methods as a general tool for optimal control across diverse quantum platforms.
• Abstract（参考訳）: 密度行列に対する低ランクアンサッツを仮定することにより、量子情報デバイスの制御プロトコルをシミュレートできることを実証する。 この仮定の理論的根拠は、設計上、ほぼ純粋な量子状態の体制で量子情報プロトコルが動作するということである。 低ランクな仮定では、これらのプロトコルのシミュレーションは完全なリンドブラッドマスター方程式を解くよりもはるかに高速である。 この利点は、制御されていない近似を回避してシミュレーションの精度を高め、プロトコル最適化の合理化に利用できる。 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。 ヒルベルト空間の次元が$N = 2000$とすると、ランクが$M = 20$と仮定すると、すべての関連する観測変数を正確に再現しながら、完全なマスター方程式の積分よりも100倍近い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、高速リセット操作を含むほとんどの量子制御プロトコルに適用できる。 これにより、様々な量子プラットフォーム間の最適制御のための一般的なツールとして低ランク法が確立される。

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