論文の概要: Optimal Control of thermally noisy quantum gates in a multilevel system

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.00782v1
• Date: Sun, 30 Nov 2025 08:36:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-02 19:46:34.417206
• Title: Optimal Control of thermally noisy quantum gates in a multilevel system
• Title（参考訳）: 多層系における熱ノイズ量子ゲートの最適制御
• Authors: Aviv Aroch, Shimshon Kallush, Ronnie Kosloff,
• Abstract要約: マルコフ雑音下での高忠実度量子ゲートの設計と安定化に最適制御理論を適用する。 我々は,OCTが高忠実度ゲート性能を維持しつつ,目標冷却や暖房などのエントロピー修正プロセスを実現することを実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum systems are inherently sensitive to environmental noise and imperfections in external control fields, posing a significant challenge for the practical implementation of quantum technologies. These noise sources degrade the fidelity of quantum gates, making their mitigation a key requirement for realizing reliable quantum computing. In this study, we apply optimal control theory (OCT) within a thermodynamically consistent framework to design and stabilize high-fidelity quantum gates under Markovian noise. Our approach focuses on thermal relaxation and incorporates these effects into the control protocol, wherein external driving fields not only govern the system's unitary evolution but also modulate its interaction with the environment. By leveraging this interplay, we demonstrate that OCT can enable entropy-modifying processes, such as targeted cooling or heating, while maintaining high-fidelity gate performance in noisy environments. To validate our approach, we employ high-precision numerical methods on an open quantum system implementing one- or two-qubit gates embedded in a larger Hilbert space. The results showcase robust gate operation even under significant dissipative influences, offering a concrete path toward fault-tolerant quantum computation under realistic conditions.
• Abstract（参考訳）: 量子システムは、外的制御分野における環境騒音や不完全性に本質的に敏感であり、量子技術の実践的な実装において重要な課題となっている。 これらのノイズ源は量子ゲートの忠実度を低下させ、信頼性の高い量子コンピューティングを実現するための重要な要件となっている。 本研究では,マルコフ雑音下での高忠実度量子ゲートの設計と安定化に最適制御理論 (OCT) を熱力学的に一貫した枠組みに適用する。 本手法は, 熱緩和に焦点をあて, これらの効果を制御プロトコルに組み込むことで, 外部駆動場がシステムの一元的進化を制御できるだけでなく, 環境との相互作用を調節する。 この相互作用を利用して,OCTは高忠実度ゲート性能を維持しつつ,目標冷却や暖房などのエントロピー修正プロセスを実現することができることを示す。 提案手法の有効性を検証するため,より大きなヒルベルト空間に埋め込まれた1または2量子ビットゲートを実装したオープン量子系において,高精度な数値計算手法を用いる。 その結果,現実的な条件下でのフォールトトレラント量子計算への具体的な経路として,かなりの散逸の影響下においても頑健なゲート操作が示された。

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