含噪二分量子比特系统的哈密顿量切换控制

我们受量子近似优化算法（QAOA）启发，提出了一种用于二分控制的哈密顿量切换拟设，以抑制量子比特上的环境噪声。我们以如下应用来说明该方法：i) 通过各向同性海森堡相互作用耦合到浴自旋的中心自旋量子比特，ii) 通过偶极-偶极相互作用耦合到环境二能级系统（TLS）的超导 transmon 量子比特，以及 iii) 同时耦合到 TLS 和 Lindblad 浴的量子比特。控制场是经典的，且仅作用于系统量子比特。我们使用带策略梯度（PG）的强化学习来优化哈密顿量切换控制协议，采用相对于特定目标量子门定义的保真度目标。我们利用该方法展示了对相干耗散噪声和有效抑制，数值研究在多数测试案例中实现了保真度超过 0.9999（四个9）的目标门操作，并在随后通过梯度上升脉冲工程（GRAPE）优化将保真度进一步提升至 0.999999999（九个9）。我们分析了控制深度、总演化时间、环境 TLS 数量以及优化方法的选择如何影响最优协议所达到的保真度，并揭示了量子门二分控制的一些临界行为。