1Institutul Max Planck pentru Știința Luminii, Erlangen, Germania
2Departamentul de Fizică, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, Germania
3Univ Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Laboratoire de Physique, F-69342 Lyon, Franța
Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.
Abstract
Controlul cuantic a fost de un interes din ce în ce mai mare în ultimii ani, de exemplu pentru sarcini precum inițializarea și stabilizarea stării. Strategiile bazate pe feedback sunt deosebit de puternice, dar și greu de găsit, datorită spațiului de căutare crescut exponențial. Învățarea prin consolidare profundă este foarte promițătoare în acest sens. Poate oferi noi răspunsuri la întrebări dificile, cum ar fi dacă măsurătorile neliniare pot compensa controlul liniar, constrâns. Aici arătăm că învățarea prin întărire poate descoperi cu succes astfel de strategii de feedback, fără cunoștințe prealabile. Ilustram acest lucru pentru pregătirea stării într-o cavitate supusă detectării cuantice fără demolare a numărului de fotoni, cu o comandă liniară simplă ca control. Stările Fock pot fi produse și stabilizate la o fidelitate foarte mare. Este chiar posibil să se ajungă la stări de suprapunere, cu condiția ca și ratele de măsurare pentru diferite stări Fock să poată fi controlate.
Imagine prezentată: Schema algoritmului RL. Agentul RL poate aplica doar control liniar simplu, în cazul nostru deplasare, unei stări cuantice dintr-o cavitate. Măsurarea slabă neliniară permite agentului să conducă sistemul către suprapoziții complexe. Aici este afișată funcția Wigner a lui $frac{|1rangle+|3rangle}{sqrt{2}}$. Agentul RL este modelat cu o rețea neuronală feed-forward.
Rezumat popular
► Date BibTeX
► Referințe
[1] Navin Khaneja, Timo Reiss, Cindie Kehlet, Thomas Schulte-Herbrüggen și Steffen J. Glaser. „Controlul optim al dinamicii spinării cuplate: proiectarea secvențelor de impulsuri RMN prin algoritmi de ascensiune cu gradient”. Journal of Magnetic Resonance 172, 296–305 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.jmr.2004.11.004
[2] P. de Fouquieres, SG Schirmer, SJ Glaser și Ilya Kuprov. „Inginerie puls de ascensiune cu gradient de ordinul doi”. Journal of Magnetic Resonance 212, 412–417 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.jmr.2011.07.023
[3] AC Doherty și K. Jacobs. „Controlul feedback-ului al sistemelor cuantice folosind estimarea stării continue”. Fiz. Rev. A 60, 2700–2711 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.2700
[4] Pavel Bushev, Daniel Rotter, Alex Wilson, François Dubin, Christoph Becher, Jürgen Eschner, Rainer Blatt, Viktor Steixner, Peter Rabl și Peter Zoller. „Răcirea prin feedback a unui singur ion prins”. Fiz. Rev. Lett. 96, 043003 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.96.043003
[5] Howard M. Wiseman și Gerard J. Milburn. „Măsurarea și controlul cuantic”. Cambridge University Press. Cambridge (2009).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511813948
[6] GG Gillett, RB Dalton, BP Lanyon, MP Almeida, M. Barbieri, GJ Pryde, JL O'Brien, KJ Resch, SD Bartlett și AG White. „Controlul experimental de feedback al sistemelor cuantice folosind măsurători slabe”. Fiz. Rev. Lett. 104, 080503 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.104.080503
[7] Clément Sayrin, Igor Dotsenko, Xingxing Zhou, Bruno Peaudecerf, Théo Rybarczyk, Sébastien Gleyzes, Pierre Rouchon, Mazyar Mirrahimi, Hadis Amini, Michel Brune, Jean-Michel Raimond și Serge Haroche. „Feedback-ul cuantic în timp real pregătește și stabilizează stările numărului de fotoni”. Nature 477, 73–77 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10376
[8] P. Campagne-Ibarcq, E. Flurin, N. Roch, D. Darson, P. Morfin, M. Mirrahimi, MH Devoret, F. Mallet și B. Huard. „Controlul persistent al unui qubit supraconductor prin feedback de măsurare stroboscopică”. Fiz. Rev. X 3, 021008 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.3.021008
[9] Nissim Ofek, Andrei Petrenko, Reinier Heeres, Philip Reinhold, Zaki Leghtas, Brian Vlastakis, Yehan Liu, Luigi Frunzio, SM Girvin, L. Jiang, Mazyar Mirrahimi, MH Devoret și RJ Schoelkopf. „Extinderea duratei de viață a unui bit cuantic cu corectarea erorilor în circuitele supraconductoare”. Nature 536, 441–445 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18949
[10] Massimiliano Rossi, David Mason, Junxin Chen, Yeghishe Tsaturyan și Albert Schliesser. „Controlul cuantic bazat pe măsurare al mișcării mecanice”. Nature 563, 53–58 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[11] Shay Hacohen-Gourgy și Leigh S. Martin. „Măsurători continue pentru controlul circuitelor cuantice supraconductoare”. Progrese în fizică: X 5, 1813626 (2020). arXiv:2009.07297.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 23746149.2020.1813626
arXiv: 2009.07297
[12] Alessio Fallani, Matteo AC Rossi, Dario Tamascelli și Marco G. Genoni. „Învățarea strategiilor de control al feedback-ului pentru metrologia cuantică”. PRX Quantum 3, 020310 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020310
[13] Richard S. Sutton și Andrew G. Barto. „Învățare prin consolidare, ediția a doua: o introducere”. MIT Press. (2018). url: http:///incompleteideas.net/book/the-book.html.
http:///incompleteideas.net/book/the-book.html
[14] Volodymyr Mnih, Koray Kavukcuoglu, David Silver, Andrei A. Rusu, Joel Veness, Marc G. Bellemare, Alex Graves, Martin Riedmiller, Andreas K. Fidjeland, Georg Ostrovski, Stig Petersen, Charles Beattie, Amir Sadik, Ioannis Antonoglou, Helen King , Dharshan Kumaran, Daan Wierstra, Shane Legg și Demis Hassabis. „Control la nivel uman prin învățare prin consolidare profundă”. Nature 518, 529–533 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14236
[15] Tuomas Haarnoja, Sehoon Ha, Aurick Zhou, Jie Tan, George Tucker și Sergey Levine. „Învățați să mergeți prin învățare prin consolidare profundă” (2019). arXiv:1812.11103.
arXiv: 1812.11103
[16] Thomas Fösel, Petru Tighineanu, Talitha Weiss și Florian Marquardt. „Învățare prin consolidare cu rețele neuronale pentru feedback cuantic”. Fiz. Rev. X 8, 031084 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.8.031084
[17] Chunlin Chen, Daoyi Dong, Han-Xiong Li, Jian Chu și Tzyh-Jong Tarn. „Învățare Q probabilistică bazată pe fidelitate pentru controlul sistemelor cuantice”. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems 25, 920–933 (2014).
https:///doi.org/10.1109/tnnls.2013.2283574
[18] Moritz August și José Miguel Hernández-Lobato. „Preluarea gradienților prin experimente: LSTM-uri și optimizarea politicii proximale a memoriei pentru controlul cuantic Black-Box”. În Rio Yokota, Michèle Weiland, John Shalf și Sadaf Alam, editori, High Performance Computing. Paginile 591–613. Note de curs în Computer ScienceCham (2018). Editura Springer International.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-02465-9_43
[19] Marin Bukov, Alexandre GR Day, Dries Sels, Phillip Weinberg, Anatoli Polkovnikov și Pankaj Mehta. „Învățare prin consolidare în diferite faze ale controlului cuantic”. Fiz. Rev. X 8, 031086 (2018). arXiv:1705.00565.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.8.031086
arXiv: 1705.00565
[20] Riccardo Porotti, Dario Tamascelli, Marcello Restelli și Enrico Prati. „Transportul coerent al stărilor cuantice prin învățare prin consolidare profundă”. Commun Phys 2, 1–9 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42005-019-0169-x
[21] Murphy Yuezhen Niu, Sergio Boixo, Vadim N. Smelyanskiy și Hartmut Neven. „Control cuantic universal prin învățare prin consolidare profundă”. npj Quantum Information 5, 1–8 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0141-3
[22] Zheng An și DL Zhou. „Învățare prin consolidare profundă pentru controlul porții cuantice”. EPL 126, 60002 (2019).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/126/60002
[23] Han Xu, Junning Li, Liqiang Liu, Yu Wang, Haidong Yuan și Xin Wang. „Control generalizat pentru estimarea parametrilor cuantici prin învățare prin întărire”. npj Quantum Inf 5, 1–8 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-019-0198-z
[24] Juan Miguel Arrazola, Thomas R. Bromley, Josh Izaac, Casey R. Myers, Kamil Brádler și Nathan Killoran. „Metoda de învățare automată pentru pregătirea stării și sinteza porții pe calculatoare cuantice fotonice”. Sci. cuantică. Tehnol. 4, 024004 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aaf59e
[25] L. O'Driscoll, R. Nichols și PA Knott. „Un algoritm hibrid de învățare automată pentru proiectarea experimentelor cuantice”. Quantum Mach. Intelege. 1, 5–15 (2019).
https://doi.org/10.1007/s42484-019-00003-8
[26] Thomas Fösel, Stefan Krastanov, Florian Marquardt și Liang Jiang. „Control eficient al cavității cu porți SNAP” (2020). arXiv:2004.14256.
arXiv: 2004.14256
[27] Mogens Dalgaard, Felix Motzoi, Jens Jakob Sørensen și Jacob Sherson. „Optimizarea globală a dinamicii cuantice cu explorarea profundă AlphaZero”. npj Quantum Inf 6, 6 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0241-0
[28] Hailan Ma, Daoyi Dong, Steven X. Ding și Chunlin Chen. „Învățare de întărire profundă bazată pe curriculum pentru controlul cuantic” (2021). arXiv:2012.15427.
arXiv: 2012.15427
[29] Zheng An, Hai-Jing Song, Qi-Kai He și DL Zhou. „Controlul optim cuantic al sistemelor cuantice disipative pe mai multe niveluri cu învățare prin întărire”. Fiz. Rev. A 103, 012404 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.012404
[30] Yuval Baum, Mirko Amico, Sean Howell, Michael Hush, Maggie Liuzzi, Pranav Mundada, Thomas Merkh, Andre RR Carvalho și Michael J. Biercuk. „Învățare experimentală de consolidare profundă pentru proiectarea seturilor de porți robuste la erori pe un computer cuantic supraconductor”. PRX Quantum 2, 040324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040324
[31] Thomas Fösel, Murphy Yuezhen Niu, Florian Marquardt și Li Li. „Optimizarea circuitului cuantic cu învățare prin consolidare profundă” (2021). arXiv:2103.07585.
arXiv: 2103.07585
[32] E. Flurin, LS Martin, S. Hacohen-Gourgy și I. Siddiqi. „Folosirea unei rețele neuronale recurente pentru a reconstrui dinamica cuantică a unui qubit supraconductor din observații fizice”. Physical Review X 10 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.10.011006
[33] DT Lennon, H. Moon, LC Camenzind, Liuqi Yu, DM Zumbühl, G. a. D. Briggs, MA Osborne, EA Laird și N. Ares. „Măsurarea eficientă a unui dispozitiv cuantic folosind învățarea automată”. npj Quantum Information 5, 1–8 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0193-4
[34] Kyunghoon Jung, MH Abobeih, Jiwon Yun, Gyeonghun Kim, Hyunseok Oh, Ang Henry, TH Taminiau și Dohun Kim. „Învățarea profundă a îmbunătățit detectarea spinului nuclear individual”. npj Quantum Inf 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-021-00377-3
[35] V Nguyen. „Învățare prin consolidare profundă pentru măsurarea eficientă a dispozitivelor cuantice”. npj Quantum InformationPagina 9 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00434-x
[36] Alexander Hentschel și Barry C. Sanders. „Învățare automată pentru măsurarea cuantică precisă”. Fiz. Rev. Lett. 104, 063603 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.104.063603
[37] M. Tiersch, EJ Ganahl și HJ Briegel. „Calcul cuantic adaptiv în medii în schimbare folosind simularea proiectivă”. Sci Rep 5, 12874 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep12874
[38] Pantita Palittapongarnpim, Peter Wittek, Ehsan Zahedinejad, Shakib Vedaie și Barry C. Sanders. „Învățare în controlul cuantic: optimizare globală de înaltă dimensiune pentru dinamica cuantică zgomotoasă”. Neurocomputing 268, 116–126 (2017).
https:///doi.org/10.1016/j.neucom.2016.12.087
[39] Jelena Mackeprang, Durga B. Rao Dasari și Jörg Wrachtrup. „O abordare de învățare prin consolidare pentru ingineria cuantică a stării”. Quantum Mach. Intelege. 2, 5 (2020).
https://doi.org/10.1007/s42484-020-00016-8
[40] Christian Sommer, Muhammad Asjad și Claudiu Genes. „Perspective de învățare prin întărire pentru amortizarea simultană a multor moduri mecanice”. Sci Rep 10, 2623 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-020-59435-z
[41] Zhikang T. Wang, Yuto Ashida și Masahito Ueda. „Controlul învățării prin consolidare profundă a cartilor cuantici”. Fiz. Rev. Lett. 125, 100401 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.100401
[42] Sangkha Borah, Bijita Sarma, Michael Kewming, Gerard J. Milburn și Jason Twamley. „Control cuantic de feedback bazat pe măsurare cu învățare de întărire profundă pentru un potențial neliniar cu dublu puț”. Fiz. Rev. Lett. 127, 190403 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.190403
[43] VV Sivak, A. Eickbusch, H. Liu, B. Royer, I. Tsioutsios și MH Devoret. „Control cuantic fără model cu învățare prin întărire”. Fiz. Rev. X 12, 011059 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.12.011059
[44] Antoine Essig, Quentin Ficheux, Théau Peronnin, Nathanaël Cottet, Raphaël Lescanne, Alain Sarlette, Pierre Rouchon, Zaki Leghtas și Benjamin Huard. „Măsurarea numărului de fotoni multiplexați”. Fiz. Rev. X 11, 031045 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.031045
[45] B. Peaudecerf, C. Sayrin, X. Zhou, T. Rybarczyk, S. Gleyzes, I. Dotsenko, JM Raimond, M. Brune și S. Haroche. „Experimente cu feedback cuantic care stabilizează stările Fock ale luminii într-o cavitate”. Fiz. Rev. A 87, 042320 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.87.042320
[46] X. Zhou, I. Dotsenko, B. Peaudecerf, T. Rybarczyk, C. Sayrin, S. Gleyzes, JM Raimond, M. Brune și S. Haroche. „Câmp blocat la o stare Fock de feedback cuantic cu corecții cu un singur foton”. Fiz. Rev. Lett. 108, 243602 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.108.243602
[47] Jacob C. Curtis, Connor T. Hann, Salvatore S. Elder, Christopher S. Wang, Luigi Frunzio, Liang Jiang și Robert J. Schoelkopf. „Detecția cu o singură lovitură rezolvată în număr a fotonilor cu microunde cu atenuarea erorilor”. Fiz. Rev. A 103, 023705 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.023705
[48] Christine Guerlin, Julien Bernu, Samuel Deléglise, Clément Sayrin, Sébastien Gleyzes, Stefan Kuhr, Michel Brune, Jean-Michel Raimond și Serge Haroche. „Prăbușire progresivă a stării câmpului și numărare cuantică a fotonilor fără demolare”. Nature 448, 889–893 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature06057
[49] BR Johnson, MD Reed, AA Houck, DI Schuster, Lev S. Bishop, E. Ginossar, JM Gambetta, L. DiCarlo, L. Frunzio, SM Girvin și RJ Schoelkopf. „Detecția cuantică fără demolare a fotonilor cu microunde într-un circuit”. Nature Phys 6, 663–667 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys1710
[50] B. Peaudecerf, T. Rybarczyk, S. Gerlich, S. Gleyzes, JM Raimond, S. Haroche, I. Dotsenko și M. Brune. „Măsurarea adaptivă cuantică fără demolare a unui număr de fotoni”. Fiz. Rev. Lett. 112, 080401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.112.080401
[51] Crispin Gardiner și Peter Zoller. „Zgomot cuantic: un manual al metodelor stochastice cuantice markoviane și non-markoviene cu aplicații la optica cuantică”. Seria Springer în sinergetică. Springer-Verlag. Berlin Heidelberg (2004). A treia editie. url: link.springer.com/book/9783540223016.
https: / / link.springer.com/ book / 9783540223016
[52] John Schulman, Filip Wolski, Prafulla Dhariwal, Alec Radford și Oleg Klimov. „Algoritmi de optimizare a politicilor proximale” (2017). arXiv:1707.06347.
arXiv: 1707.06347
[53] John Schulman, Sergey Levine, Philipp Moritz, Michael I. Jordan și Pieter Abbeel. „Trust Region Policy Optimization” (2017). arXiv:1502.05477.
arXiv: 1502.05477
[54] Ashley Hill, Antonin Raffin, Maximilian Ernestus, Adam Gleave, Anssi Kanervisto, Rene Traore, Prafulla Dhariwal, Christopher Hesse, Oleg Klimov, Alex Nichol, Matthias Plappert, Alec Radford, John Schulman, Szymon Sidor și Yuhuai Wu. „Linii de bază stabile”. url: github.com/hill-a/stable-baselines.
https:///github.com/hill-a/stable-baselines
[55] Weizhou Cai, Yuwei Ma, Weiting Wang, Chang-Ling Zou și Luyan Sun. „Coduri de corectare a erorilor cuantice bosonice în circuitele cuantice supraconductoare”. Cercetare fundamentală 1, 50–67 (2021).
https:///doi.org/10.1016/j.fmre.2020.12.006
[56] FAM de Oliveira, MS Kim, PL Knight și V. Buek. „Proprietățile statelor numărului deplasat”. Physical Review A 41, 2645–2652 (1990).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.41.2645
[57] Michael Martin Nieto. „Starile cu numere deplasate și stoarse”. Litere de fizică A 229, 135–143 (1997). arXiv:quant-ph/9612050.
https://doi.org/10.1016/s0375-9601(97)00183-7
arXiv: Quant-ph / 9612050
Citat de
[1] Anna Dawid, Julian Arnold, Borja Requena, Alexander Gresch, Marcin Płodzień, Kaelan Donatella, Kim A. Nicoli, Paolo Stornati, Rouven Koch, Miriam Büttner, Robert Okuła, Gorka Muñoz-Gil, Rodrigo A. Vargas-Hernández, Alba Cervera-Lierta, Juan Carrasquilla, Vedran Dunjko, Marylou Gabrié, Patrick Huembeli, Evert van Nieuwenburg, Filippo Vicentini, Lei Wang, Sebastian J. Wetzel, Giuseppe Carleo, Eliška Greplová, Roman Krems, Florian Marquardt, Michał Tomza, Maciej Lewenstein, și Alexandre Dauphin, „Aplicații moderne ale învățării automate în științele cuantice”, arXiv: 2204.04198.
[2] Riccardo Porotti, Vittorio Peano și Florian Marquardt, „Gradient Ascent Pulse Engineering with Feedback”, arXiv: 2203.04271.
[3] Luigi Giannelli, Pierpaolo Sgroi, Jonathon Brown, Gheorghe Sorin Paraoanu, Mauro Paternostro, Elisabetta Paladino și Giuseppe Falci, „A tutorial on optimal control and reinforcement learning methods for quantum technologies”, Litere de fizică A 434, 128054 (2022).
[4] Björn Annby-Andersson, Faraj Bakhshinezhad, Debankur Bhattacharyya, Guilherme De Sousa, Christopher Jarzynski, Peter Samuelsson și Patrick P. Potts, „Quantum Fokker-Planck master equation for continuous feedback control”, arXiv: 2110.09159.
[5] Alessio Fallani, Matteo AC Rossi, Dario Tamascelli și Marco G. Genoni, „Learning Feedback Control Strategies for Quantum Metrology”, PRX Quantum 3 2, 020310 (2022).
[6] Paolo Andrea Erdman și Frank Noé, „Conducerea mașinilor termice cuantice cu cutie neagră cu compromisuri optime putere/eficiență folosind învățarea prin întărire”, arXiv: 2204.04785.
[7] David A. Herrera-Martí, „Policy Gradient Approach to Compilation of Variational Quantum Circuits”, arXiv: 2111.10227.
Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2022-07-22 01:21:35). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.
On Serviciul citat de Crossref nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2022-07-22 01:21:34).
Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.
