Singularity-free dynamical invariants-based quantum control

doi:10.1038/s41534-026-01343-7

Singularity-free dynamical invariants-based quantum control

2026-08-05

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DOI：10.1038/s41534-026-01343-7

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状态制备是量子技术的基石，支撑着计算、通信和传感等应用。在非马尔可夫开放量子系统中，其重要性更为突出，因为环境记忆和模型不确定性对实现高保真度控制构成了重大挑战。基于不变量的逆工程为合成解析控制场提供了规范框架，但现有的参数化方法往往导致实验上不可行的奇异脉冲，并且仅限于简化的噪声模型，如Lindblad形式。在此，我们提出了一种适用于任意噪声条件下有限维状态制备的广义不变量协议。我们将有限维控制问题转化为等效的单量子比特问题，通过将动力学限制在设计的SU(2)子空间中实现。控制协议分为两个阶段：首先，构建一组有界脉冲，在闭系统中实现完美状态制备；其次，识别该脉冲族中能最小化噪声效应的最优成员。该框架同时适用于：(i) 已表征的噪声，支持噪声感知控制合成；(ii) 未表征的噪声，其中一种噪声无关变体在不依赖主方程描述的情况下保持鲁棒性。数值模拟表明，该方法能在多样化目标下实现高保真度状态制备，同时产生平滑、硬件可行的控制场。这一无奇异框架将基于不变量的控制扩展到真实的开放系统 regime，为在NISQ硬件及其他具有非马尔可夫动力学特性的平台上实现鲁棒量子态工程提供了通用途径。

Singularity-free dynamical invariants-based quantum control

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