論文の概要: Structured Quantum Optimal Control under Bandwidth and Smoothness Constraints-An Inexact Proximal-ADMM Approach for Low-Complexity Pulse Synthesis

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.13020v1
• Date: Fri, 13 Mar 2026 14:27:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-16 17:38:12.116504
• Title: Structured Quantum Optimal Control under Bandwidth and Smoothness Constraints-An Inexact Proximal-ADMM Approach for Low-Complexity Pulse Synthesis
• Title（参考訳）: 帯域幅・平滑性制約下における構造量子最適制御-低複雑パルス合成のための不正確な近似-ADMMアプローチ
• Authors: Ziwen Song,
• Abstract要約: ゲート不整合性,全変分正則化,明示的帯域制限射影,ボックス制約を1ループで組み合わせた非コンパクトなプロキシADMMフレームワークについて検討する。 GRAPE、標準のKrotov、L-BFGS-Bに対して、シングルキュービットの$X$ゲート、リークが発生しやすいクォートタスク、2キュービットのエンタングゲートでベンチマークされる。 コントリビューションは、直ちに展開可能な高忠実度ゲートへの完了ルートとしてではなく、制約パルス合成のための数値的枠組みとして読み取るべきである。
• 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: Quantum optimal control is often judged by nominal fidelity alone, even though realistic pulse-design studies must also account for bandwidth, amplitude, and smoothness constraints. I study this structured-control regime with an inexact Proximal-ADMM framework that combines gate-infidelity minimization with $L_1$ sparsity, total-variation regularization, explicit band-limit projection, and box constraints in a single loop. The method is benchmarked against GRAPE, standard Krotov, and L-BFGS-B on a single-qubit $X$ gate, a leakage-prone qutrit task, and a two-qubit entangling gate. Across ten random seeds, Pareto scans, ablations, filtered-baseline fairness checks, significance analysis with false-discovery-rate correction, and robustness tests, the method is not a universal winner in either nominal fidelity or wall-clock cost. Its value is instead to expose and stabilize a low-complexity frontier of the fidelity-complexity landscape. After retuning the PADMM budgets and warm-start lengths, the qutrit and two-qubit structured fidelities rise to 0.6672 +- 0.0001 and 0.6342 +- 0.0003, respectively, while preserving markedly lower complexity than unconstrained quasi-Newton solutions. These values remain well below deployment-grade gate thresholds, so the contribution should still be read as a numerical framework for constrained pulse synthesis rather than as a finished route to immediately deployable high-fidelity gates. Training-time robust optimization yields only task-dependent gains, with the clearest effect appearing in qutrit drift robustness and amounting to a small absolute improvement. The results therefore position PADMM as a constraint-native framework for low-complexity frontier exploration, not as a replacement for unconstrained high-fidelity solvers.
• Abstract（参考訳）: 現実的なパルス設計の研究は帯域幅、振幅、滑らかさの制約も考慮しなければならないが、量子最適制御は名目だけで判断されることが多い。 本稿では,この構造制御機構を,ゲート-不整合最小化と$L_1$スパシティ,全変分正規化,明示的帯域制限投影,ボックス制約を結合した非コンパクトな Proximal-ADMM フレームワークを用いて検討する。 この方法は、GRAPE、標準Krotov、L-BFGS-Bに対して、シングルキュービットの$X$ゲート、リークが発生しやすいクォートタスク、および2キュービットのエンタングゲートに対してベンチマークされる。 10個のランダムシード、Paretoスキャン、アブレーション、フィルターされたベースラインのフェアネスチェック、偽発見率補正による重要度分析、ロバストネステスト、そして、この方法は名目的忠実度または壁時計コストにおいて普遍的な勝者ではない。 その価値は、その代わりに、忠実度-複雑度ランドスケープの低複雑さフロンティアを露出し、安定化することである。 PADMMの予算とウォームスタート長を調整した後、クォートと2量子構造フィポリティはそれぞれ 0.6672 +- 0.0001 と 0.6342 +- 0.0003 となり、非拘束された準ニュートン溶液よりも著しく低い複雑さを保っている。 これらの値は、配置グレードのゲートしきい値よりかなり低いため、高忠実度ゲートを即時展開するための完了経路としてではなく、制限パルス合成のための数値的な枠組みとして読み取るべきである。 訓練時間のロバスト最適化はタスク依存的な利得しか得られず、最も明確な効果はクォートドリフトロバスト性に現れ、絶対的な改善は少ない。 その結果、PADMMは、制約のない高忠実度解法の代替としてではなく、低複雑さフロンティア探索のための制約ネイティブなフレームワークとして位置づけられた。

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