Jump to content

Последовательный контроль

(Перенаправлено с Квантового контроля )

Когерентное управление основанный на квантовой механике метод управления динамическими процессами с помощью света . Основной принцип заключается в управлении явлениями квантовой интерференции, обычно путем формирования фазы лазерных импульсов. [1] [2] Основные идеи получили широкое распространение, найдя широкое применение в спектроскопии масс-спектров , квантовой обработке информации, лазерном охлаждении , физике ультрахолода и многом другом.

Краткая история

[ редактировать ]

Первоначальной идеей было контролировать исход химических реакций . Было реализовано два подхода:

  • во временной области схема «накачка-сброс», где управлением является временная задержка между импульсами [3] [4]
  • в частотной области — мешающие пути, управляемые одним и тремя фотонами. [5]

Два основных метода в конечном итоге объединились с введением теории оптимального управления . [6] [7]

Вскоре последовали экспериментальные реализации во временной области. [8] и в частотной области. [9] Две взаимосвязанные разработки ускорили развитие области когерентного управления: экспериментально это была разработка формирования импульса с помощью пространственного модулятора света. [10] [11] и его использование в последовательном контроле. [12] Второй разработкой стала идея автоматического управления с обратной связью. [13] и его экспериментальная реализация. [14] [15]

Управляемость

[ редактировать ]

Когерентное управление направлено на перевод квантовой системы из начального состояния в целевое через внешнее поле. Для заданных начального и конечного (целевого) состояний согласованное управление называется межгосударственным управлением . Обобщение одновременно направляет произвольный набор начальных чистых состояний к произвольному набору конечных состояний, т.е. управляет унитарным преобразованием . Такое приложение закладывает основу для работы квантовых вентилей. [16] [17] [18]

Управляемость закрытой квантовой системы рассматривалась Тарном и Кларком. [19] Их теорема, основанная на теории управления, утверждает, что для конечномерной замкнутой квантовой системы система полностью управляема, т.е. произвольное унитарное преобразование системы может быть реализовано путем соответствующего применения управления. [20] если операторы управления и невозмущенный гамильтониан порождают алгебру Ли всех эрмитовых операторов . Полная управляемость предполагает межгосударственную управляемость.

Вычислительная задача поиска управляющего поля для конкретного преобразования состояний в состояния сложна и усложняется с увеличением размера системы. Эта задача относится к классу сложных задач обращения высокой вычислительной сложности . Алгоритмическая задача поиска поля, генерирующего унитарное преобразование, масштабируется факториалом сложнее с размером системы. Это связано с тем, что необходимо найти большее количество полей управления между состояниями, не мешая другим полям управления. Показано, что решение общих квантовых задач оптимального управления эквивалентно решению диофантовых уравнений . Поэтому из отрицательного ответа на десятую проблему Гильберта следует, что квантовая оптимальная управляемость, вообще говоря, неразрешима. [21]

При введении ограничений управляемость может ухудшиться. Например, каково минимальное время, необходимое для достижения цели контроля? [22] Это называется «квантовым пределом скорости». Ограничение скорости можно рассчитать, квантовав гипотезу Улама об управлении. [23]

Конструктивный подход к последовательному управлению

[ редактировать ]

Конструктивный подход использует набор заранее определенных полей управления, для которых можно сделать вывод о результате управления.

Схема сброса насоса [3] [4] во временной области и схема интерференции трех фотонов против одного в частотной области. [5] являются яркими примерами. Другой конструктивный подход основан на адиабатических идеях. Наиболее хорошо изученным методом является стимулированное комбинационное адиабатическое прохождение STIRAP. [24] который использует вспомогательное государство для достижения полного перемещения населения из одного штата в другой.

Одной из наиболее распространенных форм импульсов является чирпированный импульс, частота которого меняется во времени. [25] [26]

Оптимальное управление

[ редактировать ]

Оптимальное управление , применяемое в когерентном управлении, ищет оптимальное поле управления для направления квантовой системы к ее цели. [6] [7] Для управления между состояниями цель определяется как максимальное перекрытие в последний момент времени T с состоянием. :

где начальное состояние . Зависящий от времени гамильтониан управления имеет типичный вид:

где это поле управления. Оптимальное управление обеспечивает оптимальное поле с помощью вариационного исчисления, вводя множители Лагранжа . Определен новый целевой функционал

где представляет собой волновую функцию, подобную множителю Лагранжа и Параметр регулирует интегральную интенсивность.Вариант относительно и приводит к двум связанным уравнениям Шрёдингера . Прямое уравнение для с начальным состоянием и обратное уравнение для множителя Лагранжа с окончательным состоянием . Поиск решения требует итерационного подхода. Для получения управляющего поля применялись различные алгоритмы, например метод Кротова. [27]

Разработан локальный во времени альтернативный метод, [28] где на каждом временном шаге поле вычисляется для направления состояния к цели. Связанный метод называется отслеживанием [29]

Экспериментальные приложения

[ редактировать ]

Некоторые приложения когерентного управления

Еще одним важным вопросом является спектральная избирательность двухфотонного когерентного управления. [43] Эти концепции могут быть применены к одноимпульсной рамановской спектроскопии и микроскопии. [44]

Будучи одним из краеугольных камней для создания квантовых технологий, оптимальный квантовый контроль продолжает развиваться и расширяться в такие разнообразные области, как квантовое зондирование, манипулирование одиночными спинами, фотонами или атомами, оптическую спектроскопию, фотохимию, магнитный резонанс (спектроскопию, а также медицинскую визуализация), квантовая обработка информации и квантовое моделирование. [45]

  1. ^ Гордон, Роберт Дж.; Райс, Стюарт А. (1997). «Активный контроль динамики атомов и молекул». Ежегодный обзор физической химии . 48 (1): 601–641. Бибкод : 1997ARPC...48..601G . doi : 10.1146/annurev.physchem.48.1.601 . ISSN   0066-426X . ПМИД   15012451 .
  2. ^ Шапиро, Моше; Брюмер, Пол (2000). «Когерентное управление атомными, молекулярными и электронными процессами». Достижения атомной, молекулярной и оптической физики . Том. 42. Академическая пресса. стр. 287–345. дои : 10.1016/s1049-250x(08)60189-5 . ISBN  978-0-12-003842-8 . ISSN   1049-250X .
  3. ^ Перейти обратно: а б Таннор, Дэвид Дж.; Райс, Стюарт А. (15 ноября 1985 г.). «Управление селективностью химической реакции посредством управления эволюцией волнового пакета». Журнал химической физики . 83 (10): 5013–5018. дои : 10.1063/1.449767 . ISSN   0021-9606 .
  4. ^ Перейти обратно: а б Таннор, Дэвид Дж.; Кослофф, Ронни; Райс, Стюарт А. (15 ноября 1986 г.). «Когерентная импульсная последовательность, вызывающая контроль селективности реакций: точные квантово-механические расчеты». Журнал химической физики . 85 (10): 5805–5820. дои : 10.1063/1.451542 . ISSN   0021-9606 . S2CID   94455480 .
  5. ^ Перейти обратно: а б Брюмер, Пол; Шапиро, Моше (1986). «Контроль мономолекулярных реакций с помощью когерентного света». Письма по химической физике . 126 (6): 541–546. дои : 10.1016/s0009-2614(86)80171-3 . ISSN   0009-2614 .
  6. ^ Перейти обратно: а б Пирс, Энтони П.; Дале, Мохаммед А.; Рабиц, Гершель (1 июня 1988 г.). «Оптимальное управление квантово-механическими системами: существование, численная аппроксимация и приложения». Физический обзор А. 37 (12): 4950–4964. дои : 10.1103/physreva.37.4950 . ISSN   0556-2791 . ПМИД   9899641 .
  7. ^ Перейти обратно: а б Кослофф, Р.; Райс, ЮАР; Гаспар, П.; Терсиньи, С.; Таннор, диджей (1989). «Танец волновых пакетов: достижение химической селективности путем формирования световых импульсов». Химическая физика . 139 (1): 201–220. дои : 10.1016/0301-0104(89)90012-8 . ISSN   0301-0104 .
  8. ^ Баумерт, Т.; Энгель, В.; Мейер, К.; Гербер, Г. (1992). «Эффекты сильного лазерного поля при многофотонной ионизации Na 2 . Эксперимент и квантовые расчеты». Письма по химической физике . 200 (5): 488–494. дои : 10.1016/0009-2614(92)80080-у . ISSN   0009-2614 .
  9. ^ Чжу, Л.; Клейман, В.; Ли, Х.; Лу, ИП; Трентельман, К.; Гордон, Р.Дж. (6 октября 1995 г.). «Когерентный лазерный контроль распределения продуктов, полученных при фотовозбуждении HI». Наука . 270 (5233): 77–80. дои : 10.1126/science.270.5233.77 . ISSN   0036-8075 . S2CID   98705974 .
  10. ^ Вайнер, AM (2000). «Формирование фемтосекундных импульсов с помощью пространственных модуляторов света» (PDF) . Обзор научных инструментов . 71 (5): 1929–1960. дои : 10.1063/1.1150614 . ISSN   0034-6748 . Архивировано (PDF) из оригинала 17 апреля 2007 г. Проверено 6 июля 2010 г.
  11. ^ Жидкокристаллический пространственный модулятор света с оптической адресацией , [1] Архивировано 4 февраля 2012 г. в Wayback Machine.
  12. ^ Кавасима, Хитоши; Веферс, Марк М.; Нельсон, Кейт А. (1995). «Формирование фемтосекундных импульсов, многоимпульсная спектроскопия и оптический контроль». Ежегодный обзор физической химии . 46 (1): 627–656. дои : 10.1146/annurev.pc.46.100195.003211 . ISSN   0066-426X . ПМИД   24341370 .
  13. ^ Джадсон, Ричард С.; Рабиц, Гершель (9 марта 1992 г.). «Обучение лазеров управлению молекулами». Письма о физических отзывах . 68 (10): 1500–1503. дои : 10.1103/physrevlett.68.1500 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   10045147 .
  14. ^ Ассион, А. (30 октября 1998 г.). «Управление химическими реакциями с помощью фазовых лазерных импульсов с оптимизированной обратной связью». Наука . 282 (5390): 919–922. дои : 10.1126/science.282.5390.919 . ПМИД   9794756 .
  15. ^ Бриф, Константин; Чакрабарти, Радж; Рабиц, Гершель (8 июля 2010 г.). «Управление квантовыми явлениями: прошлое, настоящее и будущее» . Новый журнал физики . 12 (7): 075008. arXiv : 0912.5121 . дои : 10.1088/1367-2630/12/7/075008 . ISSN   1367-2630 .
  16. ^ Теш, Кармен М.; Курц, Лукас; де Виви-Ридль, Регина (2001). «Применение теории оптимального управления для элементов квантовых вычислений в молекулярных системах». Письма по химической физике . 343 (5–6): 633–641. дои : 10.1016/s0009-2614(01)00748-5 . ISSN   0009-2614 .
  17. ^ Палао, Хосе П.; Кослофф, Ронни (14 октября 2002 г.). «Квантовые вычисления с помощью алгоритма оптимального управления для унитарных преобразований». Письма о физических отзывах . 89 (18): 188301. arXiv : quant-ph/0204101 . doi : 10.1103/physrevlett.89.188301 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   12398642 . S2CID   9237548 .
  18. ^ Рабиц, Гершель; Се, Майкл; Розенталь, Кэри (30 ноября 2005 г.). «Ландшафт оптимального управления квантовомеханическими унитарными преобразованиями». Физический обзор А. 72 (5): 052337. doi : 10.1103/physreva.72.052337 . ISSN   1050-2947 .
  19. ^ Хуанг, Гарнг М.; Тарн, Ти Джей; Кларк, Джон В. (1983). «Об управляемости квантовомеханических систем». Журнал математической физики . 24 (11): 2608–2618. дои : 10.1063/1.525634 . ISSN   0022-2488 .
  20. ^ Рамакришна, Вишванатх; Салапака, Мурти В.; Дале, Мохаммед; Рабиц, Гершель; Пирс, Энтони (1 февраля 1995 г.). «Управляемость молекулярных систем». Физический обзор А. 51 (2): 960–966. дои : 10.1103/physreva.51.960 . ISSN   1050-2947 . ПМИД   9911672 .
  21. ^ Бондарь, Денис И.; Печень, Александр Н. (27 января 2020 г.). «Невычислимость и сложность квантового управления» . Научные отчеты . 10 (1): 1195. arXiv : 1907.10082 . дои : 10.1038/s41598-019-56804-1 . ISSN   2045-2322 . ПМЦ   6985236 . ПМИД   31988295 .
  22. ^ Канева, Т.; Мерфи, М.; Каларко, Т.; Фасио, Р.; Монтанжеро, С.; Джованнетти, В.; Санторо, GE (7 декабря 2009 г.). «Оптимальное управление на квантовом пределе скорости». Письма о физических отзывах . 103 (24): 240501. arXiv : 0902.4193 . дои : 10.1103/physrevlett.103.240501 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   20366188 . S2CID   43509791 .
  23. ^ Грюбеле, М.; Волинс, PG (06 августа 2007 г.). «Квантование гипотезы управления Улама». Письма о физических отзывах . 99 (6): 060201. doi : 10.1103/PhysRevLett.99.060201 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   17930806 .
  24. ^ Унанян Р.; Флейшхауэр, М.; Шор, БВ; Бергманн, К. (1998). «Надежное создание и фазочувствительное исследование состояний суперпозиции посредством стимулированного рамановского адиабатического прохождения (STIRAP) с вырожденными темными состояниями». Оптические коммуникации . 155 (1–3): 144–154. дои : 10.1016/s0030-4018(98)00358-7 . ISSN   0030-4018 .
  25. ^ Рухман, С.; Кослофф, Р. (1 августа 1990 г.). «Применение чирпированных ультракоротких импульсов для создания колебательной когерентности основного состояния большой амплитуды: компьютерное моделирование». Журнал Оптического общества Америки Б. 7 (8): 1748–1752. дои : 10.1364/josab.7.001748 . ISSN   0740-3224 .
  26. ^ Серулло, Г.; Бардин, CJ; Ван, К.; Шанк, CV (1996). «Мощное фемтосекундное чирпированное импульсное возбуждение молекул в растворе». Письма по химической физике . 262 (3–4): 362–368. дои : 10.1016/0009-2614(96)01092-5 . ISSN   0009-2614 .
  27. ^ Сомлой, Йожеф; Казаков Владимир А.; Таннор, Дэвид Дж. (1993). «Управляемая диссоциация I 2 посредством оптических переходов между электронными состояниями X и B» . Химическая физика . 172 (1): 85–98. дои : 10.1016/0301-0104(93)80108-л . ISSN   0301-0104 .
  28. ^ Кослофф, Ронни; Хаммерих, Одри Делл; Таннор, Дэвид (12 октября 1992 г.). «Возбуждение без сноса: радиационное возбуждение вибрации поверхности земли за счет импульсного вынужденного комбинационного рассеяния света с контролем повреждений». Письма о физических отзывах . 69 (15): 2172–2175. дои : 10.1103/physrevlett.69.2172 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   10046417 .
  29. ^ Чен, Ю; Гросс, Питер; Рамакришна, Вишванатх; Рабиц, Гершель; Миз, Кеннет (22 мая 1995 г.). «Конкурентное отслеживание молекулярных целей, описываемых квантовой механикой». Журнал химической физики . 102 (20): 8001–8010. дои : 10.1063/1.468998 . ISSN   0021-9606 .
  30. ^ Левис, Р.Дж.; Рабиц, ХА (2002). «Замыкание цикла селективной химии связей с использованием специально подобранных лазерных импульсов сильного поля». Журнал физической химии А. 106 (27): 6427–6444. дои : 10.1021/jp0134906 . ISSN   1089-5639 .
  31. ^ Дантус, Маркос; Лозовой, Вадим В. (2004). «Экспериментальное когерентное лазерное управление физико-химическими процессами». Химические обзоры . 104 (4): 1813–1860. дои : 10.1021/cr020668r . ISSN   0009-2665 . ПМИД   15080713 .
  32. ^ Левин, Лиат ; Скоморовский, Войцех; Рыбак, Леонид; Кослофф, Ронни; Кох, Кристиана П.; Амитай, Зохар (10 июня 2015 г.). «Последовательный контроль над созданием облигаций». Письма о физических отзывах . 114 (23): 233003. arXiv : 1411.1542 . дои : 10.1103/physrevlett.114.233003 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   26196798 . S2CID   32145743 .
  33. ^ Прохоренко, В.И. (01 сентября 2006 г.). «Последовательный контроль изомеризации сетчатки в бактериородопсине». Наука . 313 (5791): 1257–1261. дои : 10.1126/science.1130747 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   16946063 . S2CID   8804783 .
  34. ^ Воллебен, Вендель; Бакуп, Тьяго; Херек, Дженнифер Л.; Моцкус, Маркус (13 мая 2005 г.). «Когерентный контроль спектроскопии и манипулирование биологической динамикой». ХимияФизХим . 6 (5): 850–857. дои : 10.1002/cphc.200400414 . ISSN   1439-4235 . ПМИД   15884067 .
  35. ^ Ханеджа, Навин; Рейсс, Тимо; Келет, Синди; Шульте-Хербрюгген, Томас; Глейзер, Стеффен Дж. (2005). «Оптимальное управление связанной спиновой динамикой: создание последовательностей импульсов ЯМР с помощью алгоритмов градиентного восхождения». Журнал магнитного резонанса . 172 (2): 296–305. дои : 10.1016/j.jmr.2004.11.004 . ISSN   1090-7807 . ПМИД   15649756 .
  36. ^ Райт, MJ; Генсемер, SD; Вала, Дж.; Кослофф, Р.; Гулд, Польша (1 августа 2005 г.). «Контроль ультрахолодных столкновений с помощью частотно-чирпированного света» (PDF) . Письма о физических отзывах . 95 (6): 063001. doi : 10.1103/physrevlett.95.063001 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   16090943 .
  37. ^ Гарсия-Риполь, Джей-Джей; Золлер, П.; Сирак, Дж.И. (07 октября 2003 г.). «Двухкубитные ворота с оптимизированной скоростью и методами лазерного когерентного управления для квантовых вычислений с ионной ловушкой». Письма о физических отзывах . 91 (15): 157901. arXiv : quant-ph/0306006 . дои : 10.1103/physrevlett.91.157901 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   14611499 . S2CID   119414046 .
  38. ^ Ларсен, Т.В., К.Д. Петерссон, Ф. Кюммет, Т.С. Йесперсен, П. Крогструп и К.М. Маркус. «Когерентное управление трансмонным кубитом с помощью джозефсоновского перехода на основе нанопроволоки». Бюллетень Американского физического общества 60 (2015).
  39. ^ Шарфенбергер, Буркхард; Манро, Уильям Дж; Немото, Каэ (25 сентября 2014 г.). «Последовательное управление НВ центр с одним прилегающим 13 . New Journal of Physics . 16 (9): 093043. arXiv : 1404.0475 . doi : 10.1088/1367-2630/16/9/093043 . ISSN   1367-2630 .
  40. ^ Вайдингер, Дэниел; Грюбеле, Мартин (1 июля 2007 г.). «Квантовые вычисления с колебательно-возбужденными многоатомными молекулами: эффекты вращения, структура уровней и градиенты поля» . Молекулярная физика . 105 (13–14): 1999–20087. дои : 10.1080/00268970701504335 . S2CID   122494939 .
  41. ^ Коркум, ПБ; Крауш, Ференц (2007). «Аттосекундная наука». Физика природы . 3 (6). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 381–387. Бибкод : 2007NatPh...3..381C . дои : 10.1038/nphys620 . ISSN   1745-2473 .
  42. ^ Буту, В.; Хесслер, С.; Мерджи, Х.; Брегер, П.; Уотерс, Г.; и др. (04 мая 2008 г.). «Когерентный контроль аттосекундного излучения выровненных молекул». Физика природы . 4 (7). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 545–549. дои : 10.1038/nphys964 . hdl : 10044/1/12527 . ISSN   1745-2473 .
  43. ^ Мешулах, Дорон; Зильберберг, Ярон (1998). «Когерентное квантовое управление двухфотонными переходами фемтосекундным лазерным импульсом». Природа . 396 (6708). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 239–242. дои : 10.1038/24329 . ISSN   0028-0836 . S2CID   41953962 .
  44. ^ Зильберберг, Ярон (2009). «Квантовый когерентный контроль для нелинейной спектроскопии и микроскопии». Ежегодный обзор физической химии . 60 (1): 277–292. doi : 10.1146/annurev.physchem.040808.090427 . ISSN   0066-426X . ПМИД   18999997 .
  45. ^ Глейзер, Стеффен Дж.; Боскейн, Уго; Каларко, Томмазо; Кох, Кристиана П.; Кёкенбергер, Вальтер; и др. (2015). «Дрессировка кота Шрёдингера: квантовое оптимальное управление» . Европейский физический журнал Д. 69 (12): 1–24. arXiv : 1508.00442 . дои : 10.1140/epjd/e2015-60464-1 . ISSN   1434-6060 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Принципы квантового контроля молекулярных процессов, Моше Шапиро, Пол Брумер, стр. 250. ISBN   0-471-24184-9 . Вили-ВЧ, (2003).
  • «Квантовый контроль молекулярных процессов», Моше Шапиро и Пол Брумер, Wiley-VCH (2012).
  • Райс, Стюарт Алан и Мейшань Чжао. Оптический контроль молекулярной динамики. Нью-Йорк: Джон Уайли, 2000.
  • д'Алессандро, Доменико. Введение в квантовый контроль и динамику. ЦРК Пресс, 2007.
  • Дэвид Дж. Таннор, «Введение в квантовую механику: перспектива, зависящая от времени», (University Science Books, Саусалито, 2007).
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d65cbd7f86c30e0aace56b337091059e__1704375480
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d6/9e/d65cbd7f86c30e0aace56b337091059e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Coherent control - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)