1Інститут науки про світло Макса Планка, Ерланген, Німеччина
2Факультет фізики, Університет Фрідріха-Александра Ерланген-Нюрнберг, Німеччина
3Univ Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Laboratoire de Physique, F-69342 Lyon, France
Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.
абстрактний
Останніми роками квантовий контроль викликає все більший інтерес, наприклад, для таких завдань, як ініціалізація та стабілізація стану. Стратегії, засновані на зворотному зв’язку, особливо потужні, але їх також важко знайти через експоненціально збільшений простір пошуку. Глибоке навчання з підкріпленням має великі перспективи в цьому відношенні. Це може дати нові відповіді на складні запитання, наприклад, чи можуть нелінійні вимірювання компенсувати лінійне, обмежене керування. Тут ми показуємо, що навчання з підкріпленням може успішно виявити такі стратегії зворотного зв’язку без попереднього знання. Ми проілюструємо це для підготовки стану в порожнині, що підлягає квантовому неруйнівному виявленню числа фотонів, з простим лінійним приводом як керуванням. Стани Фока можна створити та стабілізувати з дуже високою точністю. Можна навіть досягти станів суперпозиції, за умови, що швидкість вимірювання для різних станів Фока також можна контролювати.
Рекомендоване зображення: схема алгоритму RL. Агент RL може застосовувати лише простий лінійний контроль, у нашому випадку зміщення, до квантового стану в порожнині. Нелінійне слабке вимірювання дозволяє агенту рухати систему до складних суперпозицій. Тут показано функцію Вігнера $frac{|1rangle+|3rangle}{sqrt{2}}$. Агент RL моделюється за допомогою прямої нейронної мережі.
Популярне резюме
► Дані BibTeX
► Список літератури
[1] Навін Ханеджа, Тімо Райс, Сінді Келет, Томас Шульте-Гербрюгген і Штеффен Дж. Глейзер. “Оптимальний контроль динаміки зв’язаного спіну: проектування послідовностей імпульсів ЯМР за допомогою алгоритмів сходження градієнта”. Журнал магнітного резонансу 172, 296–305 (2005).
https:///doi.org/10.1016/j.jmr.2004.11.004
[2] П. де Фук'єр, С. Г. Ширмер, С. Я. Глейзер, Ілля Купров. «Імпульсна інженерія сходження градієнта другого порядку». Журнал магнітного резонансу 212, 412–417 (2011).
https:///doi.org/10.1016/j.jmr.2011.07.023
[3] А. С. Догерті та К. Джейкобса. “Керування квантовими системами зі зворотним зв’язком за допомогою безперервної оцінки стану”. фіз. Rev. A 60, 2700–2711 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.2700
[4] Павло Бушев, Даніель Роттер, Алекс Вілсон, Франсуа Дюбін, Крістоф Бехер, Юрген Ешнер, Райнер Блатт, Віктор Штайкснер, Пітер Рабль і Петер Золлер. «Охолодження окремого захопленого іона за допомогою зворотного зв’язку». фіз. Преподобний Летт. 96, 043003 (2006).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.96.043003
[5] Говард М. Уайзман і Джерард Дж. Мілберн. «Квантові вимірювання та контроль». Cambridge University Press. Кембридж (2009).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511813948
[6] Г. Г. Джиллетт, Р. Б. Далтон, Б. П. Ланьон, М. П. Алмейда, М. Барб’єрі, Г. Дж. Прайд, Дж. Л. О’Браєн, К. Дж. Реш, С. Д. Бартлетт і А. Г. Уайт. “Експериментальне керування квантовими системами зі зворотним зв’язком за допомогою слабких вимірювань”. фіз. Преподобний Летт. 104, 080503 (2010).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.104.080503
[7] Клеман Сайрін, Ігор Доценко, Сінсін Чжоу, Бруно Подесерф, Тео Рибарчик, Себастьєн Глейзес, П’єр Рушон, Мазьяр Міррахімі, Хадіс Аміні, Мішель Брюн, Жан-Мішель Раймонд і Серж Гарош. «Квантовий зворотний зв’язок у реальному часі готує та стабілізує стани кількості фотонів». 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 і B. Huard. «Постійне керування надпровідним кубітом шляхом стробоскопічного зворотного зв’язку». фіз. X 3, 021008 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.3.021008
[9] Нісім Офек, Андрій Петренко, Райньєр Херес, Філіп Рейнхольд, Закі Легтас, Брайан Властакіс, Єхан Лю, Луїджі Фрунзіо, С. М. Гірвін, Л. Цзян, Мазьяр Міррахімі, М. Х. Деворе та Р. Дж. Шолкопф. «Збільшення терміну служби квантового біта з корекцією помилок у надпровідних схемах». Nature 536, 441–445 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18949
[10] Массіміліано Россі, Девід Мейсон, Цзюнсінь Чен, Єгіше Цатурян і Альберт Шліссер. «Квантове керування механічним рухом на основі вимірювань». Nature 563, 53–58 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[11] Шей Хакоен-Гургі та Лі С. Мартін. «Безперервні вимірювання для контролю надпровідних квантових ланцюгів». Досягнення фізики: X 5, 1813626 (2020). arXiv:2009.07297.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 23746149.2020.1813626
arXiv: 2009.07297
[12] Алессіо Фаллані, Маттео AC Россі, Даріо Тамаскеллі та Марко Дж. Дженоні. «Навчання стратегіям контролю зі зворотним зв’язком для квантової метрології». PRX Quantum 3, 020310 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020310
[13] Річард С. Саттон і Ендрю Г. Барто. “Навчання з підкріпленням, друге видання: Вступ”. MIT Press. (2018). url: http:///incompleteideas.net/book/the-book.html.
http:///incompleteideas.net/book/the-book.html
[14] Володимир Мніх, Корай Кавукчуоглу, Девід Сільвер, Андрій А. Русу, Джоел Венесс, Марк Г. Бельмар, Алекс Грейвс, Мартін Рідміллер, Андреас К. Фіджеланд, Георг Островскі, Стіг Петерсен, Чарльз Бітті, Амір Садік, Іоанніс Антоноглу, Хелен Кінг , Дхаршан Кумаран, Даан Вірстра, Шейн Легг і Деміс Хассабіс. «Контроль на рівні людини через глибоке навчання з підкріпленням». Nature 518, 529–533 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14236
[15] Туомас Хаарноя, Сехун Ха, Аурік Чжоу, Джі Тан, Джордж Такер і Сергій Левін. «Вчимося ходити через глибоке навчання з підкріпленням» (2019). arXiv:1812.11103.
arXiv: 1812.11103
[16] Томас Фезель, Петру Тігіняну, Таліта Вайс і Флоріан Марквардт. «Навчання з підкріпленням за допомогою нейронних мереж для квантового зворотного зв’язку». фіз. Ред. X 8, 031084 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.8.031084
[17] Чунлінь Чен, Даої Донг, Хан-Сюн Лі, Цзянь Чу та Цзи-Чон Тарн. «Імовірнісне Q-навчання на основі точності для керування квантовими системами». Транзакції IEEE щодо нейронних мереж і систем навчання 25, 920–933 (2014).
https:///doi.org/10.1109/tnnls.2013.2283574
[18] Моріц Август і Хосе Мігель Ернандес-Лобато. «Взяття градієнтів за допомогою експериментів: LSTM та оптимізація проксимальної політики пам’яті для квантового керування чорною скринькою». У Ріо Йокота, Мішель Вейланд, Джон Шалф і Садаф Алам, редактори, High Performance Computing. Сторінки 591–613. Конспект лекцій з Computer ScienceCham (2018). Springer International Publishing.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-02465-9_43
[19] Марін Буков, Александр Г. Р. Дей, Дріс Селс, Філіп Вайнберг, Анатолій Полковніков і Панкадж Мехта. «Навчання з підкріпленням на різних фазах квантового контролю». фіз. Ред. X 8, 031086 (2018). arXiv:1705.00565.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.8.031086
arXiv: 1705.00565
[20] Ріккардо Поротті, Даріо Тамаскеллі, Марчелло Рестеллі та Енріко Праті. «Когерентний транспорт квантових станів шляхом глибокого навчання з підкріпленням». Commun Phys 2, 1–9 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42005-019-0169-x
[21] Мерфі Южен Ніу, Серхіо Бойхо, Вадим Н. Смілянський та Хартмут Невен. «Універсальний квантовий контроль через глибоке навчання з підкріпленням». npj Квантова інформація 5, 1–8 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0141-3
[22] Чжен Ань і Д.Л. Чжоу. «Глибоке навчання з підкріпленням для квантового керування воротами». EPL 126, 60002 (2019).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/126/60002
[23] Хань Сюй, Цзюннін Лі, Ліцян Лю, Юй Ван, Хайдун Юань і Сінь Ван. «Узагальнений контроль для оцінки квантових параметрів за допомогою навчання з підкріпленням». npj Quantum Inf 5, 1–8 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-019-0198-z
[24] Хуан Мігель Арразола, Томас Р. Бромлі, Джош Ізаак, Кейсі Р. Майєрс, Каміл Брадлер і Натан Кіллоран. «Метод машинного навчання для підготовки стану та синтезу вентиля на фотонних квантових комп’ютерах». Квантова наука. технол. 4, 024004 (2019).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/aaf59e
[25] Л. О'Дрісколл, Р. Ніколс і П. А. Нотт. «Алгоритм гібридного машинного навчання для розробки квантових експериментів». Квант Маха. Intell. 1, 5–15 (2019).
https://doi.org/10.1007/s42484-019-00003-8
[26] Томас Фезель, Стефан Крастанов, Флоріан Марквардт і Лян Цзян. «Ефективний контроль порожнини за допомогою затворів SNAP» (2020). arXiv:2004.14256.
arXiv: 2004.14256
[27] Могенс Далгаард, Фелікс Мотцой, Єнс Якоб Соренсен і Якоб Шерсон. «Глобальна оптимізація квантової динаміки з глибоким дослідженням AlphaZero». npj Quantum Inf 6, 6 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0241-0
[28] Хайлань Ма, Даої Донг, Стівен X. Дін і Чуньлінь Чен. «Навчання з глибоким підкріпленням для квантового контролю на основі навчальної програми» (2021). arXiv:2012.15427.
arXiv: 2012.15427
[29] Чжен Ань, Хай-Цзін Сон, Ці-Кай Хе та Д.Л. Чжоу. “Квантове оптимальне управління багаторівневими дисипативними квантовими системами з навчанням з підкріпленням”. фіз. Rev. A 103, 012404 (2021).
https:///doi.org/10.1103/physreva.103.012404
[30] Ювал Баум, Мірко Аміко, Шон Хауелл, Майкл Хаш, Меггі Ліуцці, Пранав Мундада, Томас Мерк, Андре Р. Р. Карвальо та Майкл Дж. Бірчук. «Експериментальне глибоке підкріплення навчання для стійкого до помилок дизайну воріт на надпровідному квантовому комп’ютері». PRX Quantum 2, 040324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040324
[31] Томас Фезель, Мерфі Юежен Ніу, Флоріан Марквардт і Лі Лі. «Квантова оптимізація схеми з глибоким навчанням з підкріпленням» (2021). arXiv:2103.07585.
arXiv: 2103.07585
[32] E. Flurin, LS Martin, S. Hacohen-Gourgy та I. Siddiqi. «Використання рекурентної нейронної мережі для реконструкції квантової динаміки надпровідного кубіта з фізичних спостережень». Physical Review X 10 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevx.10.011006
[33] Д. Т. Леннон, Г. Мун, Л. С. Камензінд, Люкі Ю, Д. М. Зумбюль, Г. а. Д. Бріггс, М. А. Осборн, Е. А. Лерд і Н. Арес. «Ефективне вимірювання квантового пристрою за допомогою машинного навчання». npj Квантова інформація 5, 1–8 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0193-4
[34] Кюнхун Чон, М. Х. Абобей, Чівон Юн, Гьонхун Кім, Хюнсок О, Енг Генрі, Т. Х. Тамініо та Дохун Кім. «Глибоке навчання покращує індивідуальне виявлення ядерного спіну». npj Quantum Inf 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-021-00377-3
[35] В Нгуєн. «Глибоке навчання з підкріпленням для ефективного вимірювання квантових пристроїв». npj Квантова інформація Сторінка 9 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00434-x
[36] Олександр Гентшель і Баррі С. Сандерс. «Машинне навчання для точного квантового вимірювання». фіз. Преподобний Летт. 104, 063603 (2010).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.104.063603
[37] M. Tiersch, EJ Ganahl та HJ Briegel. «Адаптивне квантове обчислення в мінливих середовищах з використанням проективного моделювання». Sci Rep 5, 12874 (2015).
https:///doi.org/10.1038/srep12874
[38] Пантіта Паліттапонгарнпім, Пітер Віттек, Ехсан Захедінежад, Шакіб Ведайе та Баррі С. Сандерс. «Навчання в квантовому управлінні: багатовимірна глобальна оптимізація для шумної квантової динаміки». Нейрокомп’ютинг 268, 116–126 (2017).
https:///doi.org/10.1016/j.neucom.2016.12.087
[39] Єлена Маккепранг, Дурга Б. Рао Дасарі та Йорг Врахтруп. «Підхід до навчання з підкріпленням для квантової інженерії стану». Квант Маха. Intell. 2, 5 (2020).
https://doi.org/10.1007/s42484-020-00016-8
[40] Крістіан Зоммер, Мухаммед Асджад і Клаудіу Дженес. «Перспективи навчання з підкріпленням для одночасного демпфування багатьох механічних режимів». Sci Rep 10, 2623 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-020-59435-z
[41] Чжиканг Т. Ван, Юто Ашіда та Масахіто Уеда. «Контроль із глибоким посиленням навчання квантових картополів». фіз. Преподобний Летт. 125, 100401 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.100401
[42] Санкха Бора, Біджіта Сарма, Майкл Кьюмінг, Джерард Дж. Мілберн і Джейсон Твамлі. «Квантовий контроль із зворотним зв’язком на основі вимірювань із глибоким підкріпленням навчання для нелінійного потенціалу з подвійною ямою». фіз. Преподобний Летт. 127, 190403 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.190403
[43] В. В. Сівак, А. Айкбуш, Х. Лю, Б. Роєр, І. Циуціос, М. Х. Деворе. «Безмодельне квантове управління з підкріпленням». фіз. Ред. X 12, 011059 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.12.011059
[44] Антуан Ессіг, Квентін Фішо, Теау Пероннін, Натанаель Коттет, Рафаель Лесканн, Ален Сарлетт, П’єр Рушон, Закі Легтас і Бенджамін Уард. «Мультиплексне вимірювання числа фотонів». фіз. Ред. X 11, 031045 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.031045
[45] B. Peaudecerf, C. Sayrin, X. Zhou, T. Rybarczyk, S. Gleyzes, I. Docenko, JM Raimond, M. Brune, and S. Haroche. «Експерименти з квантовим зворотним зв’язком, що стабілізують фоківські стани світла в порожнині». фіз. Rev. A 87, 042320 (2013).
https:///doi.org/10.1103/physreva.87.042320
[46] X. Zhou, I. Docenko, B. Peaudecerf, T. Rybarczyk, C. Sayrin, S. Gleyzes, JM Raimond, M. Brune, and S. Haroche. «Поле, закріплене за станом Фока за допомогою квантового зворотного зв’язку з однофотонними корекціями». фіз. Преподобний Летт. 108, 243602 (2012).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.108.243602
[47] Джейкоб К. Кертіс, Коннор Т. Ханн, Сальваторе С. Елдер, Крістофер С. Ван, Луїджі Фрунзіо, Лян Цзян і Роберт Дж. Шолкопф. «Однократне детектування мікрохвильових фотонів з роздільною здатністю за числом із зменшенням помилок». фіз. Rev. A 103, 023705 (2021).
https:///doi.org/10.1103/physreva.103.023705
[48] Крістін Герлін, Жюльєн Берну, Семюель Делегліз, Клеман Сейрен, Себастьєн Глейзес, Стефан Кур, Мішель Брюн, Жан-Мішель Раймон і Серж Гарош. «Прогресивний колапс польового стану та квантовий підрахунок фотонів без руйнування». 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 і RJ Schoelkopf. «Квантова неруйнуюча детекція окремих мікрохвильових фотонів у ланцюзі». 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. Docenko та M. Brune. «Адаптивне квантове неруйнівне вимірювання числа фотонів». фіз. Преподобний Летт. 112, 080401 (2014).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.112.080401
[51] Кріспін Гардінер і Пітер Золлер. “Квантовий шум: посібник із марковських і немарківських квантових стохастичних методів із застосуванням до квантової оптики”. Серія Springer з синергетики. Springer-Verlag. Берлін Гейдельберг (2004). Видання третє. url: link.springer.com/book/9783540223016.
https:///link.springer.com/book/9783540223016
[52] Джон Шульман, Філіп Вольскі, Прафулла Дарівал, Алек Редфорд та Олег Клімов. «Алгоритми оптимізації проксимальної політики» (2017). arXiv:1707.06347.
arXiv: 1707.06347
[53] Джон Шульман, Сергій Левін, Філіп Моріц, Майкл І. Джордан і Пітер Аббел. «Оптимізація політики довірчого регіону» (2017). arXiv:1502.05477.
arXiv: 1502.05477
[54] Ешлі Хілл, Антонін Раффін, Максиміліан Ернестус, Адам Глів, Анссі Канервісто, Рене Траоре, Прафулла Дарівал, Крістофер Гессе, Олег Клімов, Алекс Нікол, Матіас Плапперт, Алек Редфорд, Джон Шульман, Шимон Сідор і Юхуай Ву. «Стабільні базові лінії». url: github.com/hill-a/stable-baselines.
https:///github.com/hill-a/stable-baselines
[55] Вейчжоу Цай, Ювей Ма, Вейтін Ван, Чанг-Лін Цзоу та Луян Сунь. «Коди бозонної квантової корекції помилок у надпровідних квантових схемах». Фундаментальні дослідження 1, 50–67 (2021).
https:///doi.org/10.1016/j.fmre.2020.12.006
[56] FAM de Oliveira, MS Kim, PL Knight і V. Buek. “Властивості станів зі зміщеними числами”. Physical Review A 41, 2645–2652 (1990).
https:///doi.org/10.1103/physreva.41.2645
[57] Майкл Мартін Нієто. “Зміщені та стиснуті числові стани”. Physics Letters A 229, 135–143 (1997). arXiv:quant-ph/9612050.
https://doi.org/10.1016/s0375-9601(97)00183-7
arXiv: quant-ph / 9612050
Цитується
[1] Анна Давід, Джуліан Арнольд, Борха Рекена, Олександр Греш, Марцін Плодзень, Каелан Донателла, Кім А. Ніколі, Паоло Сторнаті, Рувен Кох, Міріам Бюттнер, Роберт Окула, Горка Муньос-Гіл, Родріго А. Варгас-Ернандес, Альба Сервера-Льерта, Хуан Карраскілья, Ведран Дунько, Мерілу Габріє, Патрік Уембелі, Еверт ван Ньювенбург, Філіппо Вісентіні, Лей Ван, Себастьян Дж. Ветцель, Джузеппе Карлео, Елішка Греплова, Роман Кремс, Флоріан Марквардт, Міхал Томза, Мацей Левенштейн, і Олександр Дофін, «Сучасні застосування машинного навчання в квантових науках», arXiv: 2204.04198.
[2] Ріккардо Поротті, Вітторіо Пеано та Флоріан Марквардт, «Імпульсна інженерія градієнтного підйому зі зворотним зв’язком», arXiv: 2203.04271.
[3] Луїджі Джаннеллі, П’єрпаоло Сгроі, Джонатон Браун, Георге Сорін Параоану, Мауро Патерностро, Елізабетта Паладіно та Джузеппе Фальчі, «Посібник з методів оптимального контролю та навчання з підкріпленням для квантових технологій», Літери з фізики A 434, 128054 (2022).
[4] Бйорн Аннбі-Андерссон, Фарадж Бахшинежад, Дебанкур Бхаттачарія, Гільєрме Де Соуза, Крістофер Яржинскі, Пітер Самуельссон і Патрік П. Поттс, «Квантове головне рівняння Фоккера-Планка для безперервного керування зворотним зв’язком», arXiv: 2110.09159.
[5] Алессіо Фаллані, Маттео AC Россі, Даріо Тамаскеллі та Марко Г. Дженоні, «Навчання стратегіям контролю зворотного зв’язку для квантової метрології», PRX Quantum 3 2, 020310 (2022).
[6] Паоло Андреа Ердман і Френк Ное, «Керування квантово-термальними машинами чорного ящика з оптимальним компромісом між потужністю та ефективністю за допомогою навчання з підкріпленням», arXiv: 2204.04785.
[7] Девід А. Еррера-Марті, «Політичний градієнтний підхід до компіляції варіаційних квантових схем», arXiv: 2111.10227.
Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2022-07-22 01:21:35). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.
On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2022-07-22 01:21:34).
Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.
