Fusion of Control/Quantum/Information Theories for Quantum Control Technology

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16H04382
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Control engineering/System engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Tsumura Koji 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (80241941)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大木 健太郎 京都大学, 情報学研究科, 助教 (40639233) ; 田中 冬彦 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (90456161) ; 大関 真之 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (80447549)
• Research Collaborator: Hara Shinji ; Ohta Kaito
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 制御工学 / 量子制御 / 量子フィルタリング理論 / 量子統計 / 量子計算 / 量子アニーリング

Outline of Final Research Achievements

In this research, we aim to establish theories over three fields including control theory, quantum mechanics, and information theory by fusing quantum feedback (FB) control theory, quantum estimation, and quantum computation. In detail, we derived the following results; (I: control) quantum FB control of an optical cavity under measurement constraints, large-scale FB control with local measurement and operations, FB control of thermodynamics under limitation of channel capacity, (II: quantum estimation) generalization of quantum smoothing, projection measurements selection and performance estimation, non-informative prior of the quantum statistical model based on game theory, (III: quantum computation) new methods for quantum annealing and performance improvement by FB control, and deterministic quantum annealing EM algorithm.

Free Research Field

制御工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

フィードバック制御は対象・観測・制御則・操作から構成されるが，量子力学系の場合，各要素の定義・設定そのものの多様性と相互依存性により，全体との関係の中で各々重要な意味を持つ．本研究の諸結果は，学術的には，そのような各要素の意味について，あるいは各要素間の関係について答えるものであり，制御理論，量子力学，情報理論の各分野を有機的に融合するための基礎を与えるものと位置づけられる．また社会的意義として量子フィードバック制御の技術は，量子情報機器に高性能性とシステム誤差やノイズに対するロバストネスを与える効果があり，量子情報機器の発展に大いに貢献するものである．