Theoretical study of finite-time quantum control in open quantum systems

• Project/Area Number: 18J00454
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 布能 謙 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 断熱過程のショートカット / 量子制御理論 / 量子開放系 / 量子制御 / 量子熱力学 / 量子速度限界

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、有限時間で環境と相互作用にさらされている量子系を効率的に制御する手法（有限時間量子制御の手法）を明らかにすることである。この目的を達成するために、今年度では、counter-diabatic driving(CD)と呼ばれる、量子制御の手法が、環境によってどの程度パフォーマンスが低下するのかを明らかにした。この研究は、孤立系を最適制御するための量子制御手法が環境と相互作用する量子開放系でどの程度効率的に動作するのかという問題を解決し、開放系での最適制御手法を得るための重要な一歩になるのではないかと考えている。
孤立量子系を効率的に制御する手法として、CDと呼ばれる手法は、量子系の非断熱的なエネルギー励起を打ち消すことができ、量子情報処理のプロトコルを高速化することができるだけでなく、量子熱機関を最大効率で高速化することができることも知られている。これらの結果は系が孤立していることを仮定しているため、実際の実験の状況のように、環境と系が相互作用している状況では、CDの効率は低下すると考えられている。そこで、本研究では、環境と相互作用する状況を取り扱うため、スピン・ボゾンモデルを用いて、量子操作のフィデリティの下限（環境によるエラーの上限）を求めた。量子速度限界などといった厳密な解析手法を用いることによって、量子マスター方程式が適用できる範囲を超えて、一切の近似無しでCDのパフォーマンスの下限を求めることができた。さらに、得られた不等式の等号成立条件は、環境と系の間の相互作用を時間的に変化させることで達成できることを示し、さらに等号成立のときはフィデリティが1となることを見出した。このプロトコルは、開放系でCDのエラーをゼロにすることができ、断熱過程のショートカットを実現できることを示している。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アールト大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] アールト大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] アールト大学(フィンランド)
• [Journal Article] Shortcuts to Adiabatic Pumping in Classical Stochastic Systems (2020)
  • Author(s): Funo Ken、Lambert Neill、Nori Franco、Flindt Christian
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 15 Pages: 150603-150603
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.150603
  • NAID: 130008156660
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Speeding up a quantum refrigerator via counterdiabatic driving (2019)
  • Author(s): Funo Ken、Lambert Neill、Karimi Bayan、Pekola Jukka P.、Masuyama Yuta、Nori Franco
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 3 Pages: 035407-035407
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.035407
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Speed limit for open quantum systems (2019)
  • Author(s): Ken Funo, Naoto Shiraishi and Keiji Saito
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 21 Issue: 1 Pages: 013006-013006
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aaf9f5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Shortcuts to adiabatic pumping in classical stochastic and non-Hermitian systems (2021)
  • Author(s): Ken Funo
  • Organizer: APS March Meeting 2021, S33.00002
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子コヒーレンスによる熱力学的不確定性関係の実効的無効化 (2020)
  • Author(s): 布能 謙
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会 10aL2
• [Presentation] 古典確率過程における断熱ポンプのショートカット (2020)
  • Author(s): 布能謙, Neill Lambert, Franco Nori, Christian Flindt
  • Organizer: 日本物理学会, 第75回年次大会, 領域11, 19aK43-8, 名古屋大学
• [Presentation] Enhancing the driving speed of a quantum refrigerator via counter-diabatic driving (2019)
  • Author(s): Ken Funo, Neill Lambert, Bayan Karimi, Jukka Pekola, Yuta Masuyama, Franco Nori
  • Organizer: 0th anniversary of superconducting qubits (SQ20th), Tsukuba, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Speed limits for open quantum systems (2019)
  • Author(s): Ken Funo
  • Organizer: Engineering Nonequilibrium Dynamics of Open Quantum Systems, Dresden, Germany
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Speeding Up the Quantum Refrigerator Cycle via Counter-Diabatic Driving (2019)
  • Author(s): Ken Funo
  • Organizer: Quantum ThermoDynamics Conference (QTD2019), Espoo, Finland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 開放系における量子速度限界 (2019)
  • Author(s): 布能謙、白石直人、齊藤圭司
  • Organizer: 日本物理学会, 第74回年次大会
• [Presentation] 量子速度限界、断熱過程のショートカットと量子熱力学 (2018)
  • Author(s): 布能謙
  • Organizer: 基研研究会・iTHEMS研究会2018「非平衡系の物理学－階層性と普遍性－