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Deep Reinforcement Learning für die Quantenzustandsvorbereitung mit schwachen nichtlinearen Messungen

Riccardo Porotti1,2, Antoine Essig3, Benjamin Huard3 und Florian Marquardt1,2

1Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen, Deutschland
2Institut für Physik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Deutschland
3Universität Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Laboratoire de Physique, F-69342 Lyon, Frankreich

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Abstrakt

Quantenkontrolle ist in den letzten Jahren zunehmend interessant geworden, zB für Aufgaben wie Zustandsinitialisierung und -stabilisierung. Feedback-basierte Strategien sind besonders leistungsfähig, aber aufgrund des exponentiell vergrößerten Suchraums auch schwer zu finden. Deep Reinforcement Learning ist in dieser Hinsicht vielversprechend. Es kann neue Antworten auf schwierige Fragen liefern, z. B. ob nichtlineare Messungen eine lineare, eingeschränkte Steuerung kompensieren können. Hier zeigen wir, dass Reinforcement Learning solche Feedback-Strategien ohne Vorkenntnisse erfolgreich entdecken kann. Wir veranschaulichen dies für die Zustandsvorbereitung in einem Resonator, der einer Quanten-Nicht-Demolierungs-Detektion der Photonenzahl unterliegt, mit einem einfachen linearen Antrieb als Steuerung. Fock-Zustände können mit sehr hoher Genauigkeit erzeugt und stabilisiert werden. Es ist sogar möglich, Überlagerungszustände zu erreichen, sofern die Messraten für verschiedene Fock-Zustände ebenfalls gesteuert werden können.

Quantenkontrolle hat in den letzten Jahren vor allem durch die Verbreitung von Quantencomputern eine große Relevanz erlangt. Der Umgang mit Rückkopplungen bei der Quantenkontrolle (dh die Verwendung von Messungen zur Steuerung der Dynamik) ist besonders schwierig, da die Kontrollmöglichkeiten exponentiell groß werden. Das hier untersuchte System kann als Hohlraum modelliert werden, der schwach gemessen werden kann, um partielle Informationen über jedes Energieniveau zu erhalten. Um Quantenzustände in einem solchen Hohlraum vorzubereiten und zu stabilisieren, verwenden wir Reinforcement Learning (RL). RL ist ein Zweig des maschinellen Lernens, der sich mit Steuerungsproblemen befasst. In einem RL-Framework versucht der Algorithmus, eine objektive Funktion (in diesem Fall die Wiedergabetreue) zu maximieren, indem er über einen Trial-and-Error-Prozess mit dem System interagiert. In dieser Arbeit gelingt es RL, komplexe Überlagerungen des Fock-Zustands in der Kavität mit nur sehr begrenzter linearer Kontrolle herzustellen. Der RL-Agent lernt auch, Quantenzustände gegen verschiedene Formen des Zerfalls zu stabilisieren.

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