Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò
Ôàêóëüòåò ïðèêëàäíîé ìàòåìàòèêè-ïðîöåññîâ óïðàâëåíèÿ
Æäàíîâ
Êîíñòàíòèí
Åâãåíüåâè÷
Ïðîãðàììà ÌÊ.3002.2014
Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà è ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ
Íàïðàâëåíèå 01.06.01
Ìàòåìàòèêà è ìåõàíèêà
Îïòèìèçàöèÿ àëãîðèòìà D-MORPH äëÿ ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ
ãåéòîâ
Íàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü
Àíäðèàíîâ
Ä.ô-ì.í., ïðîôåññîð
Ñåðãåé Íèêîëàåâè÷
Ðåöåíçåíò
Àðòàìîíîâ
Ê.ô-ì.í.,
Ñòàíèñëàâ Àëåêñàíäðîâè÷
âåäóùèé íàó÷íûé ñîòðóäíèê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
2018
2
Îãëàâëåíèå
Ââåäåíèå
1
Îáçîð ïðåäìåòíîé îáëàñòè
16
1.1
Êâàíòîâûé êîìïüþòåð . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.1.1
Îñíîâíûå áëîêè
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.1.2
Îñîáåííîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.1.3
Êîäèðîâàíèå ñîñòîÿíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.1.4
Êâàíòîâîå øèôðîâàíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.1.5
Ðåàëèçàöèÿ ãåéòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
1.1.6
Ïîäõîäû ê âû÷èñëåíèÿì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.1.7
Ôèçè÷åñêèå ðåàëèçàöèè êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà . . . . . .
27
1.1.8
Ðàáî÷èå ïðîòîòèïû êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ . . . . . . . .
29
Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè . . . . . . . . . .
32
1.2.1
Ìîäåëè êâàíòîâûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
1.2.2
Ñõåìû óïðàâëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1.2.3
Óïðàâëÿåìîñòü êâàíòîâûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . .
36
1.2.4
Èíòåãðèðîâàíèå äèíàìèêè êâàíòîâûõ ñèñòåì . . . . . . . .
38
1.2.5
Ìåòîäû âû÷èñëåíèÿ îïåðàòîðíûõ ýêñïîíåíò . . . . . . . .
40
1.2.6
Ìåòîäû ïîñòðîåíèÿ óïðàâëåíèé
. . . . . . . . . . . . . . .
41
1.2.7
Ïðèíöèï ëàíäøàôòà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Çàêëþ÷åíèå ê ãëàâå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Ìåòîä D-MORPH è ïîïðàâêè ê íåìó
55
2.1
Ìîäåëü êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ óïðàâëåíèÿìè. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è .
55
2.2
Ìåòîä D-MORPH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.3
Âûâîä ïîïðàâîê. Ìåòîä 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
2.4
Âûâîä ïîïðàâîê. Ìåòîä 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.5
Ôîðìàëüíîå ñðàâíåíèå ìåòîäîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
1.2
2
4
3
3
Çàêëþ÷åíèå ê ãëàâå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
×èñëåííûé ýêñïåðèìåíò
76
3.1
Ñèñòåìà äëÿ ýêñïåðèìåíòà
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
3.2
Ñðàâíèâàåìûå ìåòîäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
3.3
Ñòðóêòóðà ýêñïåðèìåíòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.4
Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
3.4.1
Ãåéò CNOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
3.4.2
Ãåéò SWAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
3.4.3
Ãåéò
SWAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
3.4.4
Ãåéò H2
3.5
√
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Çàêëþ÷åíèå ê ãëàâå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Çàêëþ÷åíèå
106
Ïðèëîæåíèå 1. Îñíîâíûå ñâåäåíèÿ èç êâàíòîâîé ìåõàíèêè
108
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
113
4
Ââåäåíèå
Êâàíòîâûé êîìïüþòåð ôèçè÷åñêîå óñòðîéñòâî, ðàáîòàþùåå ïî çàêîíàì
êâàíòîâîé ìåõàíèêè, êîòîðîå ñïîñîáíî õðàíèòü, ïðåîáðàçîâûâàòü è âûâîäèòü
êâàíòîâóþ è êëàññè÷åñêóþ èíôîðìàöèþ èñïîëüçóÿ çàêîíû êâàíòîâîãî ìèðà.
Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ïîëíîñòüþ ôóíêöèîíèðóþùèé è îáëàäàþùèé áîëüøèì îáúåìîì êâàíòîâûõ ðåãèñòðîâ êâàíòîâûé êîìïüþòåð ïîçâîëèò ðåøèòü ìíîãèå èç
ïðîáëåì, êîòîðûå ïðèíöèïèàëüíî íåâîçìîæíî çà ïðèåìëåìîå âðåìÿ ðåøèòü íà
êëàññè÷åñêîì êîìïüþòåðå [810] 1 , íàïðèìåð, ìîäåëèðîâàíèå áîëüøèõ êâàíòîâûõ ñèñòåì çà ïîëèíîìèàëüíîå âðåìÿ [80], áûñòðîå ìîäåëèðîâàíèå ñâåðòêè
áåëêîâ äëÿ ëå÷åíèÿ íåéðîäåãåíåðàòèâíûõ áîëåçíåé [171] è óëó÷øåíèå ìåòîäîâ
ìàøèííîãî îáó÷åíèÿ [267]. Áëàãîäàðÿ ñïîñîáíîñòè êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ ýôôåêòèâíî ðåøàòü öåëûå êëàññû âàæíûõ äëÿ âñåãî ÷åëîâå÷åñòâà çàäà÷, îáëàñòü
êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé ïðèâëåêàåò ê ñåáå ìíîãî íàó÷íîãî âíèìàíèÿ è ÿâëÿåòñÿ
àêòèâíî ðàçâèâàþùèìñÿ íàïðàâëåíèåì â íàóêå íà ñåãîäíÿøíèé äåíü è áóäåò
îñòàâàòüñÿ òàêîâûì äîëãîå âðåìÿ.
Îäíàêî, ýòî íàïðàâëåíèå ÿâëÿåòñÿ è äîâîëüíî òðóäíûì äëÿ îñâîåíèÿ è èññëåäîâàíèÿ, õîòÿ áû èç-çà òîãî, ÷òî êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà ýòî ìåõàíèêà, êîòîðóþ íå ïîéìåøü íà óðîâíå ïîâñåäíåâíûõ (òî åñòü êëàññè÷åñêèõ) îùóùåíèé è
îïûòà [2, 11], ìåõàíèêà, ïðèâîäÿùàÿ ê íåñêîëüêèì èíòåðåñíûì è íåîæèäàííûì
äëÿ íåïîñâÿùåííîãî íàáëþäàòåëÿ ýôôåêòàì â îáëàñòè âû÷èñëåíèé (íàïðèìåð,
âíóòðåííÿÿ ïàðàëëåëüíîñòü, êâàíòîâûé òóííåëüíûé ýôôåêò è çàïðåò êëîíèðîâàíèÿ èíôîðìàöèè [8]).
Êâàíòîâûé êîìïüþòåð ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ëîãè÷åñêèõ áëîêîâ: êóáèòû,
êâàíòîâûå ëîãè÷åñêèå îïåðàöèè (ãåéòû), èçìåðèòåëüíûå ïðèáîðû è êëàññè÷åñêèé êîìïüþòåð [810]. Êóáèò ýòî êâàíòîâûé áèò, àíàëîã êëàññè÷åñêîãî áèòà,
êîòîðûé ìîæåò áûòü â äâóõ îñíîâíûõ ñîñòîÿíèÿõ (0 è 1) è åùå âî ìíîæåñòâå
äðóãèõ, íàõîäÿùèõñÿ êàê áû ìåæäó íèìè. Êâàíòîâûé ãåéò ýòî ëîãè÷åñêàÿ
 òî æå âðåìÿ íàó÷íûì ñîîáùåñòâîì ïðèçíàåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå ìíîãèõ çàäà÷, êîòîðûå ëó÷øå ðåøàþòñÿ
íà êëàññè÷åñêèõ êîìïüþòåðàõ [13], íàïðèìåð, çàäà÷à âû÷èñëåíèÿ ðåçóëüòàòà ïîñëåäîâàòåëüíîãî ïðèìåíåíèÿ
íåêîòîðîé ôóíêöèè íåêîòîðîå ÷èñëî ðàç ê ñàìîé ñåáå [117].
1
5
îïåðàöèÿ, ïðèìåíÿåìàÿ ê îäíîìó èëè íåñêîëüêèì êóáèòàì äëÿ èçìåíåíèÿ èõ
ñîñòîÿíèÿ. Èçìåðèòåëüíûå ïðèáîðû ñëóæàò äëÿ ñ÷èòûâàíèÿ çíà÷åíèé êóáèòîâ êàê â ïðîöåññå âû÷èñëåíèé, òàê è â êîíå÷íûé ìîìåíò; îäíàêî, â îòëè÷èå îò
êëàññè÷åñêîãî ñëó÷àÿ, êàæäîå èçìåðåíèå êóáèòà ïðèâîäèò ê íåîáðàòèìûì èçìåíåíèÿì åãî ñîñòîÿíèÿ, ñ ÷åì íåîáõîäèìî êàæäûé ðàç ñ÷èòàòüñÿ. Íàêîíåö, êëàññè÷åñêèé êîìïüþòåð íåîáõîäèì äëÿ óïðàâëåíèÿ âñåìè èçìåðèòåëüíûìè ïðèáîðàìè, äëÿ óïðàâëåíèÿ ïðîöåññîì âû÷èñëåíèé è äëÿ õðàíåíèÿ êëàññè÷åñêîãî
ðåçóëüòàòà âû÷èñëåíèé.
Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü èìååòñÿ ìíîãî æèçíåñïîñîáíûõ ôèçè÷åñêèõ ðåàëèçàöèé êóáèòà ñ âîçìîæíîñòüþ óïðàâëåíèÿ åãî ñîñòîÿíèåì, îñíîâàííûõ íà ýôôåêòàõ ÿäåðíîãî ìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà [247], íà èñïîëüçîâàíèè íåîäíîðîäíîñòåé
êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê â àëìàçàõ [101], íà èñïîëüçîâàíèè çàðÿæåíûõ èîíîâ
â ýëåêòðîìàãíèòíûõ ëîâóøêàõ [198], íà èñïîëüçîâàíèè õîëîäíûõ íåéòðàëüíûõ
àòîìîâ [263], íà èñïîëüçîâàíèè ñâåðõïðîâîäÿùèõ êîíòóðîâ [168], íà èñïîëüçîâàíèè êâàíòîâûõ òî÷åê [195] è íà èñïîëüçîâàíèè ìîëåêóëÿðíûõ âíóòðåííèõ
ñòåïåíåé ñâîáîäû [200]. Îäíàêî âñå ýòè ðåàëèçàöèè ïðåäïîëàãàþò èñïîëüçîâàíèå ñëîæíîé àïïàðàòóðû è ñîçäàíèÿ ñïåöèàëüíûõ óñëîâèé äëÿ âû÷èñëåíèé, ÷òî
êðàéíå ñëîæíî íà ïðàêòèêå.
Àëãîðèòìû, ñîçäàííûå ñïåöèàëüíî äëÿ êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà, ñóùåñòâåííî îòëè÷àþòñÿ îò èõ êëàññè÷åñêèõ àíàëîãîâ ïî ôîðìå è âíóòðåííåé ëîãèêå
èñïîëíåíèÿ èç-çà ðàçëè÷èÿ â çàêîíàõ, ñîãëàñíî êîòîðûì ðàáîòàåò àïïàðàòóðà,
èñïîëíÿþùàÿ ýòè àëãîðèòìû. Íàïðèìåð, êâàíòîâûé áèò (òàê íàçûâàåìûé êóáèò) ìîæåò õðàíèòü â íåêîòîðîì ñìûñëå áîëüøåå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, ÷åì
êëàññè÷åñêèé áèò [810]. Äàëåå, áëàãîäàðÿ ïðèíöèïó êâàíòîâîé èíòåðôåðåíöèè
è îñîáåííîñòÿì ïðîöåññà êâàíòîâûõ èçìåðåíèé ìîæíî âûïîëíÿòü îäíîâðåìåííî
íåñêîëüêî ðàçëè÷íûõ ïðîãðàìì [152] íà îäíîì êâàíòîâîì ïðîöåññîðå (ãîâîðÿ
êëàññè÷åñêèì ÿçûêîì, íà îäíîì ÿäðå), ïðè÷åì äåéñòâèòåëüíî ïàðàëëåëüíî áåç
ïåðåêëþ÷åíèÿ êîíòåêñòîâ âûïîëíåíèÿ ïðîãðàìì. Ê òîìó æå áëàãîäàðÿ çàïðåòó
êëîíèðîâàíèÿ (êîïèðîâàíèÿ) ïðîèçâîëüíîãî êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ, ïðè ïåðåäà÷å êîíôèäåíöèàëüíîé êâàíòîâîé èíôîðìàöèè ìåæäó äâóìÿ ñòîðîíàìè îáìåíà,
òðåòüåé (ïîäñëóøèâàþùåé) ñòîðîíå â ïðèíöèïå íåâîçìîæíî ïåðåõâàòèòü ýòó
êâàíòîâóþ èíôîðìàöèþ áåç åå èñêàæåíèÿ è, ñëåäîâàòåëüíî, áåç ðèñêà áûòü îáíàðóæåííîé äâóìÿ îñòàëüíûìè ñòîðîíàìè [810, 191, 279].
6
Êðîìå ïåðå÷èñëåííûõ âûøå óäèâèòåëüíûõ îñîáåííîñòåé, èìååòñÿ åùå îäíà,
èíîãäà ñ÷èòàþùàÿñÿ ñàìîé óäèâèòåëüíîé è ïîëåçíîé, îñîáåííîñòü êâàíòîâûõ
âû÷èñëåíèé, êâàíòîâàÿ çàïóòàííîñòü, âîçíèêàþùàÿ â ðåçóëüòàòå êîððåëÿöèè êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèé íåñêîëüêèõ êâàíòîâûõ ñèñòåì [2, 811]. Ñóòü êâàíòîâîé çàïóòàííîñòè ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè èçìåðåíèè ñîñòîÿíèÿ îäíîé ñèñòåìû, êîòîðàÿ íàõîäèëàñü â êîððåëÿöèè ñ äðóãîé ñèñòåìîé â ïðåäûäóùèé ìîìåíò
âðåìåíè, äðóãàÿ ñèñòåìà òàêæå èçìåíÿåò ñâîå ñîñòîÿíèå ìãíîâåííî, êàê áóäòî
ïðîèçâîäèòñÿ è åå èçìåðåíèå, ïðè÷åì íå âàæíî êàê äàëåêî ýòè äâå ñèñòåìû
íàõîäÿòñÿ äðóã îò äðóãà â ìîìåíò èçìåðåíèÿ, ïóñòü õîòü â ðàçíûõ êîíöàõ Âñåëåííîé, ÷òî î÷åâèäíî íàðóøàåò ïðèíöèï ïðåäåëüíîñòè ñêîðîñòè ñâåòà [810,42],
íî íå ïðåïÿòñòâóåò íàáëþäåíèþ ýòîãî ýôôåêòà íà ïðàêòèêå.
Íàðÿäó ñ óäîáíûìè äëÿ âû÷èñëåíèé îñîáåííîñòÿìè êâàíòîâîãî ìèðà, èìåþòñÿ è îñîáåííîñòè, ïðèâîäÿùèå ê îïðåäåëåííûì ñëîæíîñòÿì. Íàïðèìåð, èççà ïðèíöèïèàëüíîé ðàçðóøèòåëüíîñòè ïðîöåññà êâàíòîâûõ èçìåðåíèé (òî åñòü
ñ÷èòûâàíèÿ êâàíòîâîé èíôîðìàöèè), íåâîçìîæíî ïîëíîñòüþ âîññòàíîâèòü èíôîðìàöèþ, êîòîðàÿ õðàíèëàñü â êâàíòîâîé ñèñòåìå äî ìîìåíòà åå èçìåðåíèÿ;
õóæå òîãî, ê ìîìåíòó çàâåðøåíèÿ ïðîöåññà èçìåðåíèÿ èíôîðìàöèÿ, êîòîðàÿ
õðàíèëàñü â êâàíòîâîé ñèñòåìå, ìåíÿåòñÿ âåðîÿòíîñòíûì îáðàçîì [810], ÷òî
íàõîäèòñÿ â ðåçêîì êîíòðàñòå ñ ïðîöåññîì èçìåðåíèé â êëàññè÷åñêèõ âû÷èñëåíèÿõ, ãäå ïðîöåññ èçìåðåíèÿ íå âëèÿåò íà õðàíÿùóþñÿ èíôîðìàöèþ.
Èìååòñÿ åùå îäíà ñëîæíîñòü ïðèêëàäíîãî õàðàêòåðà, ñ êîòîðîé ñòîëêíåòñÿ
âñå ìèðîâîå ñîîáùåñòâî ïîñëå ïîÿâëåíèÿ ïîëíîñòüþ ôóíêöèîíèðóþùåãî êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà òåîðåòè÷åñêè äîêàçàíî, ÷òî ìîùíûå êâàíòîâûå êîìïüþòåðû áóäóò ñïîñîáíû î÷åíü áûñòðî âçëàìûâàòü âñå ñîâðåìåííûå ìåòîäû øèôðîâàíèÿ èíôîðìàöèè [810]. Ýòî ïîòðåáóåò áûñòðîãî ïåðåñòðîåíèÿ âñåõ ïîäõîäîâ è ñèñòåì øèôðîâàíèÿ èíôîðìàöèè, ÷òî ÿâëÿåòñÿ õîòü è íåïðîñòîé, íî
âûïîëíèìîé çàäà÷åé, áëàãî òåîðåòèêè óæå äàâíî ðàçðàáîòàëè ìåòîäû êâàíòîâîé êðèïòîãðàôèè è áåçîïàñíîé ïåðåäà÷è êëþ÷åé øèôðîâàíèÿ [129].
Âûøåïåðå÷èñëåííûå îñîáåííîñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé ïîçâîëÿþò ñîçäàâàòü òàêèå êâàíòîâûå ïðîãðàììû, êîòîðûå áóäó÷è èñïîëíåíû íà ìîùíûõ êâàíòîâûõ êîìïüþòåðàõ áóäóò ïðåâîñõîäèòü ïî ñêîðîñòè ñàìûå ñîâåðøåííûå êëàññè÷åñêèå àëãîðèòìû. À èìåííî, íåêîòîðûå çàäà÷è, êîòîðûå äîïóñêàþò ðåøåíèå
íà êëàññè÷åñêèõ êîìïüþòåðàõ ëèøü ñ ïîìîùüþ àëãîðèòìîâ ýêñïîíåíöèàëüíîé
ñëîæíîñòè, íà êâàíòîâûõ êîìïüþòåðàõ ìîãóò áûòü ðåøåíû ñ ïîìîùüþ àëãî-
7
ðèòìîâ ïîëèíîìèàëüíîé ñëîæíîñòè [8, 13, 276], ÷òî, î÷åâèäíî, ÷ðåçâû÷àéíî ñîêðàòèò âðåìÿ íà èõ ðåøåíèå è, êàê îæèäàåòñÿ, ïîçâîëèò ïåðåéòè ê ðåøåíèþ
áîëåå òðóäîåìêèõ çàäà÷, î êîòîðûõ íåâîçìîæíî áûëî ðàíåå è ïîìûñëèòü.
Ñðåäè ñàìûõ èçâåñòíûõ àëãîðèòìîâ â îáëàñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé, ïîêàçûâàþùèõ óñêîðåíèå ïî ñðàâíåíèþ ñ êëàññè÷åñêèìè àíàëîãàìè ìîæíî âûäåëèòü: ôàêòîðèçàöèÿ ÷èñåë àëãîðèòìîì Øîðà çà ïîëèíîìèàëüíîå âðåìÿ [276],
ìîäåëèðîâàíèå êâàíòîâûõ ôåíîìåíîâ çà ïîëèíîìèàëüíîå âðåìÿ [80] è áûñòðûé
ïîèñê îáúåêòîâ â íåñòðóêòóðèðîâàííîé áàçå äàííûõ àëãîðèòìîì Ãðîâåðà [8].
Äðóãîé èçâåñòíûé êâàíòîâûé àëãîðèòì, êîòîðûé èñïîëüçóåòñÿ êàê ÷àñòü ìíîãèõ äðóãèõ êâàíòîâûõ àëãîðèòìîâ êâàíòîâîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå, êîòîðîå
âûïîëíÿåòñÿ ýêñïîíåíöèàëüíî áûñòðåå ñâîåãî êëàññè÷åñêîãî àíàëîãà [335].
Òàêæå èìåþòñÿ ìåíåå èçâåñòíûå àëãîðèòìû, íàïðèìåð àëãîðèòì ïåðåìíîæåíèÿ
è
íàêîïëåíèÿ
÷èñåë
[150],
ãäå
óìíîæåíèå
âûïîëíÿåòñÿ
çà
O(3 log2 n + 1) îïåðàöèé, à n ÷èñëî êóáèòîâ (ëó÷øèé êëàññè÷åñêèé àëãîðèòì
òðåáóåò O(n log2 n) îïåðàöèé). Äàëåå, èìååòñÿ àëãîðèòì äëÿ áîëåå áûñòðîãî
ïîèñêà ñîáñòâåííûõ çíà÷åíèé ãàìèëüòîíîâûõ ìàòðèö [251]. Èç îáëàñòè ìîäåëèðîâàíèÿ êâàíòîâûõ ôåíîìåíîâ ìîæíî âûäåëèòü çàäà÷ó ìîäåëèðîâàíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ñëîæíûõ ôåðìèîííûõ ñèñòåì, êîòîðûå íåäîñòóïíû
êëàññè÷åñêèì êîìïüþòåðàì [113, 114].
Ñòîèò çàìåòèòü, ÷òî âûøåóïîìÿíóòîå ïðåâîñõîäñòâî êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ íàä êëàññè÷åñêèìè áóäåò íàáëþäàòüñÿ òîëüêî ïðè èñïîëüçîâàíèè êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà ñ ïðîöåññîðîì, ñîñòîÿùèì èç ïðèìåðíî 107 êóáèòîâ, êîòîðûå
ìîæíî áóäåò èçìåðÿòü îòäåëüíî, è ïðè íàëè÷èè âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé çàïóòàííîñòè ìåæäó ïðîèçâîëüíûìè êóáèòàìè [136]. Ê òîìó æå îøèáêà â
ðåàëèçàöèè îòäåëüíûõ êâàíòîâûõ ãåéòîâ äîëæíà áûòü ìåíüøå 10−3 10−4 [17].
Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ïîäîáíûõ âû÷èñëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ ïîêà íå ïîñòðîåíî
è îò íàó÷íîãî ñîîáùåñòâà ïîòðåáóåòñÿ åùå ìíîãî óñèëèé äëÿ ðåøåíèÿ ïðàêòè÷åñêèõ ïðîáëåì è ïðåîäîëåíèÿ ðàçëè÷íûõ ïðåãðàä íà ïóòè ê ïîñòðîåíèþ
ïîäîáíîãî êîìïüþòåðà.
 âèäó ïðàêòè÷åñêèõ ñëîæíîñòåé ïðè ïîñòðîåíèè êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ,
íà äàííûé ìîìåíò èìååòñÿ ëèøü êðàéíå ìàëîå êîëè÷åñòâî ðàáîòàþùèõ ïðîòîòèïîâ êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ (D-Wave [125], IBM [244], Google [243]) è îíè îáëàäàþò êðàéíå ìàëûì êîëè÷åñòâîì êóáèòîâ è îãðàíè÷åííûì íàáîðîì îïåðàöèé.
Ïîýòîìó äî ïîÿâëåíèÿ ïðàêòè÷íûõ è øèðîêîäîñòóïíûõ êâàíòîâûõ êîìïüþòå-
8
ðîâ ïî÷òè âñå èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè êâàíòîâûõ àëãîðèòìîâ ïðîèçâîäÿòñÿ íà
ðàçëè÷íûõ êâàíòîâûõ ñèìóëÿòîðàõ [186,205,252] ñ èñïîëüçîâàíèåì ñïåöèàëüíûõ
ÿçûêîâ ïðîãðàììèðîâàíèÿ äëÿ íèõ (Q#, QCL, qGCL, QPL...) [245, 296, 328], â
êîòîðûõ èìåþòñÿ êîìïèëÿòîðû äëÿ ðàçíûõ òèïîâ îáîðóäîâàíèÿ [295].
Íåçàâèñèìî îò êîëè÷åñòâà òåîðåòè÷åñêè ðàçâèòûõ êâàíòîâûõ àëãîðèòìîâ è
íàëè÷èÿ ïðîãðàììíûõ ñèìóëÿòîðîâ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé, ñ ôèçè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ äëÿ èõ ðåàëèçàöèè íà êâàíòîâîì êîìïüþòåðå íåîáõîäèìî ðåøèòü
çàäà÷ó êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ ïåðåâåñòè êâàíòîâóþ ñèñòåìó, ëåæàùóþ â îñíîâå êâàíòîâîãî ïðîöåññîðà è êâàíòîâîé ïàìÿòè, èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå
òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ ñîîòâåòñòâîâàëî êâàíòîâîìó ëîãè÷åñêîìó àëãîðèòìó [810].
 îáùåì ñëó÷àå óïðàâëåíèå êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè ïðîöåññ âîçäåéñòâèÿ
êàêîãî-ëèáî ðîäà íà êâàíòîâóþ ôèçè÷åñêóþ ñèñòåìó ñ öåëüþ ðåàëèçàöèè îïðåäåëåííîé äèíàìèêè (ïîâåäåíèÿ) ýòîé ñèñòåìû äëÿ äîñòèæåíèÿ æåëàåìîãî ñîñòîÿíèÿ â êîíå÷íûé ìîìåíò âðåìåíè. Ðåøèòü çàäà÷ó óïðàâëåíèÿ çíà÷èò íàéòè óïðàâëåíèå, ðåàëèçóþùåå íåîáõîäèìóþ ó÷åíîìó äèíàìèêó êâàíòîâîé ñèñòåìû. Óïðàâëåíèå êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè èñïîëüçóåòñÿ âî ìíîãèõ îáëàñòÿõ íàóêè, â ÷àñòíîñòè, êàê óæå áûëî îòìå÷åíî, çàäà÷à óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè ÿâëÿåòñÿ îñíîâíîé çàäà÷åé â îáëàñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé [15,27,46,
102, 118, 126, 137, 138, 141144, 146, 147, 157, 159, 165, 176, 177, 185, 186, 192, 193, 195,
196, 204, 220223, 249, 253, 254, 258, 259, 268, 273, 274, 282, 292, 311, 312, 330, 332, 333].
Ðåàëèçîâàòü îïðåäåëåííîå êâàíòîâîå âû÷èñëåíèå çíà÷èò ðåàëèçîâàòü íåîáõîäèìûå, çàðàíåå îïðåäåëåííûå ïåðåõîäû ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè êâàíòîâîé ñèñòåìû. Òàêèå çàäàííûå ïåðåõîäû ðåàëèçóþòñÿ â ñâîþ î÷åðåäü ÷åðåç îïðåäåëåííûå óïðàâëÿþùèå âîçäåéñòâèÿ íà êâàíòîâóþ ñèñòåìó, êîòîðûå è âûçûâàþò
æåëàåìûå ïåðåõîäû ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè. Ñ àëãîðèòìè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ òàêèå ïåðåõîäû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êâàíòîâûå ëîãè÷åñêèå ãåéòû, íàïðèìåð ãåéò
ëîãè÷åñêîãî îòðèöàíèÿ NOT èëè ãåéò ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå. Òàêèì îáðàçîì,
âûøåîïèñàííàÿ çàäà÷à êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îñíîâíóþ çàäà÷ó â ðàìêàõ òåîðèè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé, ÷òî ïðèâîäèò ê åå íåóãàñàþùåé
ïî ñåé äåíü àêòóàëüíîñòè.
Äîïîëíèòåëüíî ê îñíîâíîé çàäà÷å óïðàâëåíèÿ ìîãóò ñòàâèòüñÿ ðàçëè÷íûå
äîïîëíèòåëüíûå öåëè, êîòîðûõ òðåáóåòñÿ äîñòè÷ü ê ìîìåíòó îêîí÷àíèÿ ïðîöåññà óïðàâëåíèÿ. Íàïðèìåð, ìîæíî ïîòðåáîâàòü ïåðåâåñòè ñèñòåìó â îïðåäåëåí-
9
íîå ñîñòîÿíèå è îäíîâðåìåííî ñäåëàòü ýòî ñ ìèíèìàëüíûìè çàòðàòàìè ýíåðãèè
íà óïðàâëåíèå [3,71,283,284], èëè ïðîèçâåñòè ýòîò ïåðåõîä çà ìèíèìàëüíîå âðåìÿ [15, 20, 30, 46, 69, 259, 273, 285, 287, 290, 291, 293, 294], èëè ïåðåâåñòè ñèñòåìó â
êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå ìàêñèìàëüíî ðîáàñòíî îòíîñèòåëüíî âàðèàöèè ïàðàìåòðîâ
ñèñòåìû [97,98,119121,127,180,222,233,303] èëè îáåñïå÷èòü ýâîëþöèþ ñèñòåìó
ïî çàäàííîìó ïóòè [79, 116] èëè âîçâðàùàòüñÿ â íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå â îïðåäåëåííûå ìîìåíòû âðåìåíè [248] èëè îïòèìèçèðîâàòü äðóãóþ öåëü âàæíóþ â
êîíêðåòíîé çàäà÷å. Ïðè âêëþ÷åíèè â çàäà÷ó ïîäîáíûõ è äðóãèõ öåëåé óïðàâëåíèÿ ìû óæå ñòàëêèâàåìñÿ ñ òåîðèåé îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, êîòîðàÿ òàêæå
ïðèâëåêàåò ê ñåáå ìíîãî âíèìàíèÿ ñî ñòîðîíû íàó÷íîãî ñîîáùåñòâà, òàê êàê
íà ïðàêòèêå âñåãäà íåîáõîäèìî ìàêñèìèçèðîâàòü èëè ìèíèìèçèðîâàòü êàêóþíèáóäü öåëü â îáùåì ñëó÷àå â äàííûõ çàäà÷àõ èìååòñÿ îïðåäåëåííûé çàäàííûé êðèòåðèé êà÷åñòâà óïðàâëåíèÿ, âûðàæåííûé ÷åðåç íåêîòîðûé ôóíêöèîíàë
J[], çàâèñÿùèé îò ôóíêöèé óïðàâëåíèÿ , êîòîðûé òðåáóåòñÿ îïòèìèçèðîâàòü,
ò. å. íàéòè åãî ìàêñèìàëüíîå èëè ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå ïî óïðàâëåíèÿì, ÷òî
îçíà÷àåò, ÷òî òàêîå ìèíèìèçèðóþùåå èëè ìàêñèìèçèðóþùåå óïðàâëåíèå ÿâëÿåòñÿ íàèëó÷øèì â äàííîé êîíêðåòíîé çàäà÷å ñ òî÷êè çðåíèÿ çàäàííîé öåëè.
 çàäà÷àõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé òåîðèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ íàõîäèò
ïðèìåíåíèå â ïåðâóþ î÷åðåäü äëÿ íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ [27,102,126,138,258]. Ãðàíèöà òî÷íîñòè îïðåäåëÿåòñÿ êàê òî÷íîñòü, íà÷èíàÿ
ñ êîòîðîé ìîæíî ïðèìåíÿòü êâàíòîâûå êîäû êîððåêöèè îøèáîê [8].
Ñòîèò ó÷èòûâàòü, ÷òî â ïðîöåññå óïðàâëåíèÿ ðåàëüíîé êâàíòîâîé ñèñòåìîé
íà íåå ïîñòîÿííî âîçäåéñòâóþò îêðóæàþùèå îáúåêòû, íå âõîäÿùèå â ðàññìàòðèâàåìóþ ñèñòåìó, ÷òî ïðèâîäèò ê íåæåëàòåëüíîìó è íåïðåäñêàçóåìîìó èçìåíåíèþ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû, êîòîðàÿ ïîäâåðãàåòñÿ óïðàâëåíèþ [216, 255, 281].
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ñèñòåìà áîëüøå íå ýâîëþöèîíèðóåò ïîä âëèÿíèåì óíèòàðíîé äèíàìèêè, à äåìîíñòðèðóåò ñëîæíóþ äèíàìèêó ñ ïåðåäà÷åé ýíåðãèè è èíôîðìàöèè îêðóæåíèþ, ïðè÷åì íåêîíòðîëèðóåìî è íåîáðàòèìî. Òàêîå ñâÿçûâàíèå, â ñëó÷àå êóáèòà, ÷àùå âñåãî ïðèâîäèò ê åãî ðåëàêñàöèè, òî åñòü ïîòåðå
èíôîðìàöèè. Ïîýòîìó òåîðèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â ðàìêàõ êâàíòîâûõ
âû÷èñëåíèé ïðèìåíÿåòñÿ è äëÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøèòåëüíîìó âëèÿíèþ íà
êâàíòîâóþ ñèñòåìó îêðóæàþùèõ øóìîâ è äðóãèõ êâàíòîâûõ ñèñòåì [144, 147,
159, 165, 216, 222, 223, 237, 255, 275, 281, 289, 291]. Ìåòîäû òåîðèè îïòèìàëüíîãî
óïðàâëåíèÿ ìîæíî òàêæå êîìáèíèðîâàòü ñ ìåòîäàìè äèíàìè÷åñêîãî ðàçâÿçû-
10
âàíèÿ ñ îêðóæåíèåì, ñóòü êîòîðûõ ñîñòîèò â ïðèìåíåíèè ïîñëåäîâàòåëüíîñòè
ìãíîâåííûõ èìïóëüñîâ ê ñèñòåìå äëÿ ïîäàâëåíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ñ îêðóæåíèåì [25, 85, 100, 224, 242, 304, 316, 329].
Êðîìå ýòèõ çàäà÷ òåîðèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â ðàìêàõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ïðèãîòîâëåíèÿ íà÷àëüíîãî êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ [23,
40, 44, 67, 104, 265, 305, 307310, 312, 313], äëÿ ïîäàâëåíèÿ äåñòðóêòèâíîãî âîçäåéñòâèÿ èçìåðåíèé èëè èñïîëüçîâàíèÿ èçìåðåíèé äëÿ ñîäåéñòâèÿ ýâîëþöèè ñèñòåìû [278, 318] è äëÿ ãåíåðàöèè çàïóòàííîñòè [141, 196, 220, 274, 292, 311, 332, 333],
òàê êàê êâàíòîâàÿ çàïóòàííîñòü ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì êâàíòîâûì ôåíîìåíîì, êîòîðûé, êàê ñ÷èòàåòñÿ, îáåñïå÷èò âû÷èñëèòåëüíîå ïðåâîñõîäñòâî êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé íàä êëàññè÷åñêèìè [8].
Åùå îäíà ïðîáëåìà, ñ êîòîðîé ñòàëêèâàþòñÿ â êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèÿõ íà
ïðàêòèêå è êîòîðóþ ìîæíî ðåøèòü ñ ïîìîùüþ òåîðèè îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, ñîñòîèò â òîì, ÷òî ôèçè÷åñêèå ðåàëèçàöèè êóáèòîâ ÷àñòî ÿâëÿþòñÿ áîëåå
÷åì äâóìåðíûìè ñèñòåìàìè è ïîýòîìó ñîñòîÿíèå êóáèòà óòåêàåò â òðåòüå è ïîñëåäóþùèå ñîñòîÿíèÿ, ñ ÷åì íåîáõîäèìî áîðîòüñÿ [27, 102, 137, 185, 206, 254, 302].
Ê ñîæàëåíèþ, íà ïðàêòèêå âñåãäà â çàäà÷å îïòèìèçàöèè ðåàëüíûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì èìååòñÿ áîëåå îäíîãî êðèòåðèÿ êà÷åñòâà óïðàâëåíèÿ, êîòîðûå íåîáõîäèìî îïòèìèçèðîâàòü, ïðè÷åì ÷àñòî ýòè êðèòåðèè ïðîòèâîðå÷àò äðóã äðóãó.
Ê òîìó æå â òàêèõ ñëó÷àÿõ íåëüçÿ ñêàçàòü, ÷òî ñîâìåñòíàÿ îïòèìèçàöèÿ âñåõ
êðèòåðèåâ ïðèâåäåò ê ðåøåíèþ, îïòèìèçèðóþùåìó êàæäûé îòäåëüíûé êðèòåðèé êà÷åñòâà, îäíàêî, ìîæíî ïîñòðîèòü ìíîæåñòâî Ïàðåòî-îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé [78, 156, 204, 299]. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî â ïîäîáíûõ çàäà÷àõ íà ïðàêòèêå
èìååòñÿ íåêîòîðûé ïîðîã îïòèìàëüíîñòè, ïðåîäîëåòü êîòîðûé ìîæíî òîëüêî
ôèçè÷åñêèì ïåðåñòðîåíèåì óïðàâëÿåìîé êâàíòîâîé ñèñòåìû, ÷òî äàåò âêëàä â
îáùóþ ñëîæíîñòü òåîðèè îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ.
Ãîâîðÿ îáùèì ÿçûêîì, ëþáàÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ çàäà÷à îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ íà÷èíàåòñÿ ñ âûáîðà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè äëÿ îïèñàíèÿ äèíàìèêè
ðåàëüíîé êâàíòîâîé ñèñòåìû è âûáîðà ñõåìû îïòèìèçàöèè.
Êâàíòîâûå ìîäåëè áûâàþò áåñêîíå÷íîìåðíûìè è êîíå÷íîìåðíûìè [31, 75],
çàìêíóòûìè è îòêðûòûìè [810]. Ïîäàâëÿþùåå êîëè÷åñòâî íàó÷íûõ ðàáîò èñïîëüçóþò êîíå÷íîìåðíûå çàìêíóòûå ìîäåëè, â ÷àñòíîñòè óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà èëè óðàâíåíèå Ëèóâèëëÿ [810,59,64,76,179], êîòîðûå â çàäà÷àõ êâàíòîâûõ
âû÷èñëåíèé ïðèâîäÿò ê óðàâíåíèÿì íà ãðóïïàõ Ëè, â òî âðåìÿ êàê äëÿ îïèñàíèÿ
11
îòêðûòûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì èñïîëüçóþòñÿ áîëåå ñëîæíûå è ïðèáëèæåííûå ìîäåëè: îòîáðàæåíèÿ Êðàóñà [225], îñíîâíûå óðàâíåíèÿ â ôîðìå Ëèíäáëàäà [231]
è ñòîõàñòè÷åñêèå îñíîâíûå óðàâíåíèÿ [164].
Ïîñëå âûáîðà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè êâàíòîâîé ñèñòåìû ïîñòðîåíèå îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ìîæíî ïðîâîäèòü îäíèì èç ñëåäóþùèõ ñïîñîáîâ.
1. Óïðàâëåíèå â îòêðûòîì öèêëå, ãäå òîëüêî ñ ïîìîùüþ íåêîòîðîãî àëãîðèòìà
íà îñíîâå îïèñàíèÿ ìîäåëè ñèñòåìû íàõîäèòñÿ îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå [24,
35, 105107, 182, 201, 277].
2. Óïðàâëåíèå â çàìêíóòîì öèêëå, ãäå èòåðàöèîííî èçìåíÿþò óïðàâëåíèå íà
îñíîâå èçìåðåíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû òàê, ÷òîáû ïðèáëèçèòüñÿ ê öåëè óïðàâëåíèÿ [24, 111].
3. Óïðàâëåíèå ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ â ðåàëüíîì âðåìåíè, ãäå â îòëè÷èå îò ïðåäûäóùåãî âèäà â êà÷åñòâå èçìåðèòåëüíîãî ïðèáîðà èñïîëüçóåòñÿ íå êëàññè÷åñêîå óñòðîéñòâî, à âñïîìîãàòåëüíûé êâàíòîâûé êîíòðîëëåð [23,164,196,215,
321, 324, 327].
4. Àäàïòèâíîå ãèáðèäíîå îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå (Ad-HOC), ãäå â îòêðûòîì
öèêëå ãðàäèåíòíûì àëãîðèòìîì íàõîäÿò ïî÷òè îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå, à
çàòåì îöåíèâàþò åãî òî÷íîñòü è èçìåíÿþò åãî ñ ïîìîùüþ íåãðàäèåíòíîãî
àëãîðèòìà â ðàìêàõ çàìêíóòîãî öèêëà [127].
Ïåðâûå äâå ñõåìû óïðàâëåíèÿ èñïîëüçóþò ñàìîå ïðîñòîå êîãåðåíòíîå óïðàâëåíèå êâàíòîâûìè ñèñòåìàì, òî åñòü ëàçåðíûå èìïóëüñû è ýëåêòðîìàãíèòíûå
ïîëÿ, òðåòüÿ ñõåìà èñïîëüçóåò îäèí èç âèäîâ íåêîãåðåíòíîãî óïðàâëåíèÿ
óïðàâëåíèå ñ ïîìîùüþ êâàíòîâûõ ñèñòåì [41,51,52,54,216,281], êðîìå êîòîðîãî
ìîæíî èñïîëüçîâàòü, íàïðèìåð, óïðàâëåíèå ñ ïîìîùüþ íåâûáîðî÷íûõ èçìåðåíèé [132, 188, 196, 228, 232, 318, 321].
Íàèáîëåå ïîïóëÿðíûì è ïðîñòûì ñïîñîáîì ÿâëÿåòñÿ óïðàâëåíèå â îòêðûòîì
öèêëå, ïðè êîòîðîì äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ
òðåáóåòñÿ ðåøèòü ñëåäóþùèå çàäà÷è.
1. Îïðåäåëèòü èìååòñÿ ëè ó êâàíòîâîé ñèñòåìû ïîëíàÿ óïðàâëÿåìîñòü, òî åñòü
ìîæíî ëè ðåàëèçîâàòü ïðîèçâîëüíîå ñîñòîÿíèå ñ ïîìîùüþ èìåþùèõñÿ â
ðàñïîðÿæåíèè óïðàâëÿþùèõ ðåñóðñîâ, äëÿ ÷åãî ìîæíî èñïîëüçîâàòü êðèòåðèé àëãåáð Ëè [16, 108] èëè êðèòåðèé ãðàôîâ [82, 241].
12
2. Âûáðàòü ìåòîä äëÿ èíòåãðèðîâàíèÿ äèíàìèêè êâàíòîâîé ñèñòåìû: ìåòîäû
ÐóíãåÊóòòû [22,130,162,207], ìåòîäû Ìàãíóñà [57,87,161,170], ìåòîäû ðàçëîæåíèÿ [14, 18, 32, 33, 3639, 4750, 5557, 62, 63, 90, 91, 133, 140, 179, 183, 235,
239, 269] èëè ìåòîä êàíîíè÷åñêèõ êîîðäèíàò âòîðîãî ðîäà [95].
3. Âûáðàòü ìåòîä äëÿ ïðèáëèæåííîãî ïîñòðîåíèÿ ìàòðè÷íûõ ýêñïîíåíò: ìåòîäû Òåéëîðà è ×åáûøåâà [64, 325], ìåòîä Ïàäå [77], ìåòîä ïîäïðîñòðàíñòâà Êðûëîâà [64], ìåòîä êîîðäèíàò âòîðîãî ðîäà [95], ìåòîä ìàòðèö ìàëîãî
ðàíãà [94] èëè ìåòîä ðàçäåëåíèÿ âåùåñòâåííîé è ìíèìîé ÷àñòåé ôóíêöèè
Ãàìèëüòîíà H [55, 64].
4. Âûáðàòü ìåòîä îïòèìèçàöèè, êîòîðûé ïîñòðîèò îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå:
àíàëèòè÷åñêèé [15,46,68,71,72,108,112,273] èëè ÷èñëåííûé ãðàäèåíòíûé [52,
53, 83, 86, 92, 115, 145, 158, 163, 173, 179, 181, 192194, 199, 200, 204, 209, 219, 221,
257,266,272,314,320,326] èëè ÷èñëåííûé íåãðàäèåíòíûé [35,121,218,238,249,
258,330] èëè ìîæåò áûòü ìåòîä ìàøèííîãî îáó÷åíèÿ [97,98,119,120,138,214]
èëè ãèáðèäíûé ìåòîä [142]. Â ýòîì ïîìîæåò ñëåäóþùèé øàã.
5. Ïðîâåðèòü óñëîâèÿ ïðèíöèïà ëàíäøàôòà [43, 122, 123, 166, 226, 227, 230, 246,
256, 257, 262, 323, 334], âûïîëíåíèå êîòîðûõ ñâèäåòåëüñòâóåò î âîçìîæíîñòè
ïðèìåíåíèÿ ïðîñòûõ ãðàäèåíòíûõ ëîêàëüíûõ îïòèìèçàöèîííûõ ìåòîäîâ â
äàííîé çàäà÷å.
Êîíå÷íî æå, â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ èñïîëüçóþòñÿ ÷èñëåííûå ìåòîäû (êîòîðûå îñíîâàíû íà äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé, íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ êóñî÷íîïîñòîÿííûõ óïðàâëåíèé èëè ìåòîäîâ Ôóðüå), òàê êàê àíàëèòè÷åñêèå ìåòîäû
ïðèìåíèìû òîëüêî äëÿ ñèñòåì ìàëîé ðàçìåðíîñòè, à ñðåäè ÷èñëåííûõ ìåòîäîâ
ãðàäèåíòíûå ìåòîäû ïîêàçûâàþò âûñîêóþ ýôôåêòèâíîñòü è òî÷íîñòü â äîñòèæåíèè öåëåé óïðàâëåíèÿ. Ñðåäè âñåõ óñïåøíûõ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ îñîáîãî
âíèìàíèÿ çàñëóæèâàåò ìåòîä D-MORPH [158, 204, 257] çà ñ÷åò òîãî, ÷òî îí íå
òðåáóåò âûñîêèõ çàòðàò íà âû÷èñëåíèÿ, ñïîñîáåí ïðåîäîëåâàòü íåçíà÷èòåëüíûå
ëîêàëüíûå îïòèìóìû è äàâàòü âûñîêîòî÷íûå îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ.
Âñå ïîïóëÿðíûå îïòèìèçàöèîííûå ìåòîäû ðåàëèçîâàíû â ðàçëè÷íûõ ïðîãðàììíûõ ïðîäóêòàõ: ïàêåò DYNAMO [192] â ñðåäå Matlab äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ãðàäèåíòíûìè ìåòîäàìè, áèáëèîòåêà QuTiP [167] äëÿ
ÿçûêà Python, ïàêåò OCTOPUS [29], êîòîðûé âêëþ÷àåò êàê ãðàäèåíòíûå, òàê
13
è íåãðàäèåíòíûå ìåòîäû, ïàêåò SPINACH [160] äëÿ Matlab äëÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â îáëàñòè ÿäåðíîãî ìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà è óíèâåðñàëüíûé ïðîãðàììíûé ïàêåò PEET [157] â Matlab, âêëþ÷àþùèé ìåòîäû êâàíòîâîãî
óïðàâëåíèÿ îòêðûòûìè ñèñòåìàìè â óñëîâèÿõ øóìà. Ïîýòîìó ïðîâåäåíèå ìîäåëèðîâàíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ ñòàíîâèòñÿ äîñòóïíî
âñå áîëüøåìó êîëè÷åñòâó ó÷åíûõ.
Âàæíî ïîíèìàòü, îäíàêî, ÷òî ïî÷òè âñå ÷èñëåííûå îïòèìèçàöèîííûå àëãîðèòìû, èñïîëüçóþùèå êóñî÷íî-ïîñòîÿííûå óïðàâëåíèÿ, áûëè âûâåäåíû â ðàìêàõ ïðåäïîëîæåíèÿ î ìàëîñòè øàãà ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé ïî âðåìåíè
äëÿ òîãî, ÷òîáû äèñêðåòèçèðîâàííûå óïðàâëåíèÿ (íàïðèìåð, çàäàííûå â âèäå
êóñî÷íî-ïîñòîÿííûõ ôóíêöèé) íàèáîëåå òî÷íî ñîîòâåòñòâîâàëè ñâîèì àíàëèòè÷åñêèì âåðñèÿì è ìîãëè èçìåíÿòüñÿ ñâîáîäíî â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Â
ðåçóëüòàòå òàêîé äèñêðåòèçàöèè ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî îäíî óïðàâëåíèå îïèñûâàåòñÿ
óæå íå îäíîé çàäàííîé ôóíêöèîíàëüíîé ôîðìîé, à î÷åíü áîëüøèì êîëè÷åñòâîì
ïàðàìåòðîâ, êîòîðûå çàòåì íåîáõîäèìî îïòèìèçèðîâàòü. Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü,
ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè ðàáîòû ñ ñèñòåìàìè óðàâíåíèé î÷åíü áîëüøèõ ðàçìåðíîñòåé â ðàìêàõ ïðîöåññà îïòèìèçàöèè, ÷òî åùå áîëåå óñëîæíÿåòñÿ òåì,
÷òî çàäà÷è óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè âû÷èñëåíèÿìè ñàìè ïî ñåáå ïðèâîäÿò ê ñèñòåìàì óðàâíåíèé áîëüøîé ðàçìåðíîñòè, çàäàííûì íà ìàòðè÷íûõ ãðóïïàõ Ëè,
êîòîðûå äîâîëüíî òðóäíî ðåøàòü. Ê òîìó æå äîïîëíèòåëüíûå ñëîæíîñòè âîçíèêàþò èç-çà íåîáõîäèìîñòè ìíîãîêðàòíîãî âû÷èñëåíèÿ ìàòðè÷íûõ ýêñïîíåíò
îò ìàòðèö áîëüøîé ðàçìåðíîñòè ïðè ïðîâåäåíèè ïðîöåññà îïòèìèçàöèè â ðàìêàõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé, ÷òî âåñüìà çàòðàòíî ñ òî÷êè çðåíèÿ òðåáóåìûõ äëÿ
ýòîãî âû÷èñëèòåëüíûõ ðåñóðñîâ è âðåìåíè.
Èñõîäÿ èç âñåãî ýòîãî, âîçíèêàåò åñòåñòâåííîå æåëàíèå ëèáî èñïîëüçîâàòü
óïðàâëåíèÿ ôèêñèðîâàííîé ôóíêöèîíàëüíîé ôîðìû ñ ìàëûì êîëè÷åñòâîì ïàðàìåòðîâ, ëèáî æå èñïîëüçîâàòü áîëüøèå øàãè äëÿ äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé
â âèäå êóñî÷íî-ïîñòîÿííûõ ôóíêöèé. Ïåðâûé ïóòü õîòü è âûãëÿäèò íà ïåðâûé
âçãëÿä ìíîãîîáåùàþùèì â âèäó ìàëîãî êîëè÷åñòâà îïòèìèçèðóåìûõ ïàðàìåòðîâ, íî ïðèâîäèò ê áîëüøèì ñëîæíîñòÿì ïðè âû÷èñëåíèè ìàòðèö ýâîëþöèè
êâàíòîâîé ñèñòåìû (íàïðèìåð, ïðèäåòñÿ èñïîëüçîâàòü ïðèáëèæåííûå ôîðìóëû Ìàãíóñà [57]) è ìîæåò áûòü òðóäåí äëÿ ðåàëèçàöèè íà ïðàêòèêå, òàê êàê
ìîæåò áûòü ñëîæíî ïîääåðæèâàòü çàäàííóþ ôóíêöèîíàëüíóþ ôîðìó óïðàâëåíèé. Âòîðîé ïóòü âûãëÿäèò áîëåå ïðåäïî÷òèòåëüíûì, òàê êàê ïðåäïîëàãà-
14
åò èñïîëüçîâàíèå ãëóáîêî ðàçâèòîé òåîðèè îïòèìèçàöèè êóñî÷íî-ïîñòîÿííûõ
óïðàâëåíèé ïðè ìàëîì êîëè÷åñòâå ïàðàìåòðîâ, ïîäëåæàùèõ îïòèìèçàöèè, ÷òî
ïðèâåäåò ê ñîêðàùåíèþ âðåìåíè, òðåáóåìîãî íà åå ïðîâåäåíèå, è ïîçâîëèò íà
ïðàêòèêå ïåðåêëþ÷àòü óïðàâëåíèÿ íå òàê ÷àñòî, ñîõðàíÿÿ òàêèì îáðàçîì äîñòàòî÷íî ïðîñòóþ ôîðìó óïðàâëåíèé.
Îäíàêî, ïðè âñåõ ïîëîæèòåëüíûõ ìîìåíòàõ îò èñïîëüçîâàíèÿ áîëüøèõ øàãîâ ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé â çàäà÷àõ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, ñòîèò ïîíèìàòü, ÷òî íåïîñðåäñòâåííîå èñïîëüçîâàíèå òàêèõ çíà÷åíèé øàãà ∆t â
ñóùåñòâóþùèõ ìåòîäàõ, â ÷àñòíîñòè â ìåòîäå D-MORPH, áóäåò ïðèâîäèòü ê
áîëüøèì ïîãðåøíîñòÿì (èç-çà óïîìÿíóòîãî ïðåäïîëîæåíèÿ î ìàëîñòè ∆t, èñïîëüçîâàííîãî ïðè âûâîäå ýòèõ ìåòîäîâ), êîòîðûå áóäóò íàêàïëèâàòüñÿ èç-çà
èòåðàòèâíîãî õàðàêòåðà ÷èñëåííîé îïòèìèçàöèè, è, ñëåäîâàòåëüíî, áóäóò ìåøàòü äîñòèæåíèþ æåëàåìîãî ðåçóëüòàòà â ïîñòàâëåííîé çàäà÷å îïòèìèçàöèè.
 ëó÷øåì ñëó÷àå òàêèå ìåòîäû áóäóò òðåáîâàòü áîëüøåãî, ÷åì ïðè èñïîëüçîâàíèè ìàëûõ øàãîâ, âðåìåíè íà ïðîâåäåíèå îïòèìèçàöèè, ÷òî, êîíå÷íî æå, êðàéíå
íåæåëàòåëüíî â ëþáîì ñëó÷àå.
Ýòè ôàêòû íàâîäÿò íà ñîîáðàæåíèÿ î ñïîñîáå âîçìîæíîãî óëó÷øåíèÿ ïîäîáíûõ àëãîðèòìîâ ïðè èñïîëüçîâàíèè áîëüøèõ øàãîâ ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé ïîâòîðèòü âåñü ïðîöåññ ôîðìóëèðîâêè è âûâîäà îïòèìèçàöèîííûõ
àëãîðèòìîâ, íå èñïîëüçóÿ ïðåäïîëîæåíèå î ìàëîñòè øàãà ∆t äèñêðåòèçàöèè
óïðàâëåíèé, è, òàêèì îáðàçîì, ïîëó÷èòü íîâûå ìåòîäû, êîòîðûå áóäóò èìåòü
âèä èçâåñòíûõ ÷èñëåííûõ îïòèìèçàöèîííûõ àëãîðèòìîâ ñ äîïîëíèòåëüíî âêëþ÷åííûìè ïîïðàâî÷íûìè ÷ëåíàìè, ó÷èòûâàþùèìè âëèÿíèå áîëüøèõ øàãîâ ∆t
íà òî÷íîñòü îïòèìèçàöèè, ÷òî òåîðåòè÷åñêè è ïðàêòè÷åñêè äîëæíî ïðèâåñòè ê
ñîêðàùåíèþ âðåìåíè íà âûïîëíåíèå ïðîöåññà îïòèìèçàöèè äàííûìè ìåòîäàìè.
Òàêèì îáðàçîì, èñõîäÿ èç ïðàêòè÷åñêîé íåâîçìîæíîñòè ðåøåíèÿ çàäà÷è îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ òî÷íûìè àíàëèòè÷åñêèìè ìåòîäàìè â ðàìêàõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé è âàæíîñòè áûñòðîãî âûïîëíåíèÿ ÷èñëåííîé îïòèìèçàöèè, îñîáåííî ïðè ðàçëè÷íûõ (íå îáÿçàòåëüíî ìàëûõ) ïî âåëè÷èíå øàãàõ
∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé, öåëüþ äàííîé ðàáîòû áûëî âûáðàíî óñêîðåíèå
êðàéíå ïîïóëÿðíîãî àëãîðèòìà ãðàäèåíòíîé ÷èñëåííîé îïòèìèçàöèè
D-MORPH â ðàìêàõ çàäà÷è íàèáîëåå òî÷íîãî ïîñòðîåíèÿ êâàíòîâûõ ãåéòîâ çà
ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ òåîðåòè÷åñêè áîëåå òî÷íûõ ôîðìóë, ó÷èòûâàþùèõ âëèÿíèå
áîëüøèõ øàãîâ ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèÿ.
15
Äëÿ äîñòèæåíèÿ äàííîé öåëè áûëè ïîñòàâëåíû ñëåäóþùèå çàäà÷è.
1. Ïîñòðîèòü àíàëèòè÷åñêèé îáçîð íàó÷íîé ëèòåðàòóðû â îáëàñòè îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè ñ îñîáûì àêöåíòîì íà ïðèëîæåíèÿ
â îáëàñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
2. Îïðåäåëèòü îñíîâíûå íàïðàâëåíèÿ ðàçâèòèÿ îáëàñòè óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè è èñïîëüçóåìûå íà äàííûé ìîìåíò ïîäõîäû äëÿ ðåøåíèÿ
çàäà÷ ðåàëèçàöèè òî÷íûõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
3. Íà îñíîâå èìåþùèõñÿ íàðàáîòîê è øèðîêî èçâåñòíûõ ìåòîäîâ Ñîôóñà Ëè
ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ââåñòè íåêîòîðûå ïîïðàâêè â ìåòîä D-MORPH, ó÷èòûâàþùèå ñòðóêòóðó ãàìèëüòîíèàíà ñèñòåìû è âåëè÷èíó øàãà äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèÿ è, òàêèì îáðàçîì, óëó÷øàþùèå òî÷íîñòü è ñêîðîñòü ïðîöåññà îïòèìèçàöèè.
4. Ïðîâåñòè ÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû èç îáëàñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé íà
çàäà÷àõ íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè ïîïóëÿðíûõ êâàíòîâûõ ãåéòîâ, ÷òîáû
ïîäòâåðäèòü îæèäàåìîå ñîêðàùåíèå âðåìåíè íà ÷èñëåííóþ îïòèìèçàöèþ,
îñîáåííî ïðè áîëüøèõ øàãàõ ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé, ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîïðàâîê ðàçëè÷íûõ ïîðÿäêîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íûì ìåòîäîì
D-MORPH áåç ïîïðàâîê.
Äàííàÿ ðàáîòà ðàçäåëåíà íà òðè ãëàâû è îäíî ïðèëîæåíèå. Â ïåðâîé ãëàâå
ïðèâåäåíû îñíîâíûå ñâåäåíèÿ èç îáëàñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé è îáçîð èñïîëüçóåìûõ ìåòîäîâ äëÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè. Âî
âòîðîé ãëàâå ïðèâîäèòñÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ ôîðìóëèðîâêà çàäà÷è îïòèìàëüíîãî
óïðàâëåíèÿ è ìåòîäà D-MORPH äëÿ ðåøåíèÿ ýòîé çàäà÷è è ââîäÿòñÿ äâà íîâûõ
ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ ïîïðàâîê ê ìåòîäó D-MORPH äëÿ ñîêðàùåíèÿ âðåìåíè íà
îïòèìèçàöèþ.  òðåòüåé ãëàâå ïðèâîäèòñÿ îïèñàíèå è ðåçóëüòàòû âû÷èñëèòåëüíûõ ýêñïåðèìåíòîâ ïî íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè ÷åòûðåõ êâàíòîâûõ ãåéòîâ
â ìîäåëüíîé êâàíòîâîé ñèñòåìå ñ ïîìîùüþ ïîëó÷åííûõ â ãëàâå 2 ïîïðàâîê ê
ìåòîäó D-MORPH ïåðâîãî è âòîðîãî ïîðÿäêîâ, è ïðîèçâîäèòñÿ âûáîð ëó÷øåãî
ìåòîäà (ñ òî÷êè çðåíèÿ çàòðàò âðåìåíè) â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû øàãà ∆t.
 ïðèëîæåíèè ïðèâîäÿòñÿ îñíîâíûå ñâåäåíèÿ èç êâàíòîâîé ìåõàíèêè, êîòîðûå
èñïîëüçóþòñÿ â òåîðèè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
16
Ãëàâà 1
Îáçîð ïðåäìåòíîé îáëàñòè
 äàííîé ãëàâå ïðèâîäÿòñÿ îñíîâíûå ñâåäåíèÿ èç òåîðèè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé: îïèñàíèå óñòðîéñòâà êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà, åãî îñîáåííîñòåé è èìåþùèõñÿ íà äàííûé ìîìåíò åãî ôèçè÷åñêèõ ðåàëèçàöèé. Äàëåå ïðèâîäèòñÿ îïèñàíèå òåêóùåãî ñîñòîÿíèÿ îáëàñòè êâàíòîâîãî îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, â îñîáåííîñòè ïîäõîäîâ è àëãîðèòìîâ äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé ñ
îïèñàíèåì èõ ñèëüíûõ è ñëàáûõ ñòîðîí.
1.1
Êâàíòîâûé êîìïüþòåð
1.1.1
Îñíîâíûå áëîêè.
Êâàíòîâûé êîìïüþòåð ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ëîãè-
÷åñêèõ áëîêîâ: êóáèòîâ, èçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ è êâàíòîâûõ ãåéòîâ.
Êóáèò
Êóáèò åäèíèöà êâàíòîâîé èíôîðìàöèè [10], àíàëîãè÷íî òîìó, êàê è îáû÷íûé áèò åäèíèöà êëàññè÷åñêîé èíôîðìàöèè. Êóáèò íà ôèçè÷åñêîì óðîâíå ÿâëÿåòñÿ êâàíòîâîé ñèñòåìîé ñ äâóìÿ âûäåëåííûìè ñîñòîÿíèÿìè, îäíàêî ñîãëàñíî
ïðèíöèïó ñóïåðïîçèöèè êâàíòîâîé ìåõàíèêè (ñì. ïðèëîæåíèå 1) êóáèò ìîæåò
íàõîäèòüñÿ
â
ñîñòîÿíèè,
îïèñûâàåìîì
âîëíîâîé
ôóíêöèåé
|ψi = c1 |0i + c2 |1i, ãäå ci êîìïëåêñíûå ÷èñëà òàêèå, ÷òî |c1 |2 + |c2 |2 = 1.
Ïðîèçâîëüíàÿ êâàíòîâàÿ ñèñòåìà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäèí êóáèò, åñëè îíà
èìååò äâóìåðíîå ãèëüáåðòîâî ïðîñòðàíñòâî H2 ñîñòîÿíèé, ò. å. ñðåäè âñåõ âîçìîæíûõ ñîñòîÿíèé èìåþòñÿ äâà âçàèìîîðòîãîíàëüíûõ êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèÿ
(àíàëîãè÷íûå êëàññè÷åñêèì 0 è 1), êîòîðûå ìû îáîçíà÷èì êàê |0i, |1i, ÷òî ïðîèçâîëüíîå ñîñòîÿíèå |ψi êóáèòà ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê åäèíè÷íûé âåêòîð â
ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå H2 : |ψi = c1 |0i + c2 |1i, ãäå ci êîìïëåêñíûå ÷èñëà
òàêèå, ÷òî |c1 |2 + |c2 |2 = 1.
17
Àíàëîãè÷íî ìîæíî îïðåäåëèòü ñîñòîÿíèÿ äâóõ, òðåõ è áîëåå êóáèòîâ [10]:
ñîñòîÿíèå êâàíòîâîé ñèñòåìû, ñîñòîÿùåé èç ïðîèçâîëüíîãî ÷èñëà n äâóõóðîâíåâûõ ñèñòåì, ìîæíî îïèñàòü ñ ïîìîùüþ âîëíîâîé ôóíêöèè |ψi â ãèëüáåðòîâîì
ïðîñòðàíñòâå H⊗n = H2 ⊗ · · · ⊗ H2 , êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ òåíçîðíûì ïðîèçâåäåíèåì
ãèëüáåðòîâûõ ïðîñòðàíñòâ îòäåëüíûõ äâóõóðîâíåâûõ ñèñòåì. Òàêèì îáðàçîì,
äëÿ ñëó÷àÿ n êóáèòîâ ìû èìååì ãèëüáåðòîâî ïðîñòðàíñòâî H⊗n ðàçìåðíîñòè 2n
c âçàèìîîðòîãîíàëüíûìè ñîñòîÿíèÿìè |0 . . . 00i = |0i⊗· · ·⊗|0i⊗|0i, |0 . . . 01i =
|0i⊗· · ·⊗|0i⊗|1i, ..., |1 . . . 10i = |1i⊗· · ·⊗|1i⊗|0i, |1 . . . 11i = |1i⊗· · ·⊗|1i⊗|1i.
Èçìåðåíèå çíà÷åíèÿ êóáèòà
 ïðîöåññå âû÷èñëåíèé è îñîáåííî ïî èõ çàâåðøåíèè ñóùåñòâóåò íåîáõîäèìîñòü ñ÷èòûâàòü (òî åñòü èçìåðÿòü) çíà÷åíèå êóáèòà.  êëàññè÷åñêîì êîìïüþòåðå ìû ìîæåì èçìåðèòü ëþáîé áèò è îïðåäåëèòü íàõîäèòñÿ ëè îí â ñîñòîÿíèè
0 èëè 1 â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè áåç êàêîãî-ëèáî èçìåíåíèÿ åãî ñîñòîÿíèÿ.
Íî â êâàíòîâîì ìèðå äåëà îáñòîÿò íàìíîãî ñëîæíåå [8]: ïðîöåññ èçìåðåíèÿ íà
êâàíòîâîì óðîâíå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âçàèìîäåéñòâèå êâàíòîâîé ñèñòåìû, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ðåàëèçàöèåé êóáèòà, ñ êëàññè÷åñêèì èçìåðèòåëüíûì ïðèáîðîì,
â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî êâàíòîâàÿ ñèñòåìà ïåðåõîäèò â íåêîòîðîå îïðåäåëåííîå
êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå, êîòîðîå è ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì èçìåðåíèÿ; ñîñòîÿíèå ñèñòåìû, êîòîðîå áûëî äî èçìåðåíèÿ, òåðÿåòñÿ è åãî óæå íåâîçìîæíî âîññòàíîâèòü
èíôîðìàöèÿ ñòåðòà íàâñåãäà (ñì. ïðèëîæåíèå 1).
Ïðè èçìåðåíèè êóáèòà, êîòîðûé íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä èçìåðåíèåì íàõîäèëñÿ â ñîñòîÿíèè |ψi = c1 |0i+c2 |1i, ìû ïîëó÷àåì ëèáî ðåçóëüòàò |0i ñ âåðîÿòíîñòüþ |c1 |2 , ëèáî ðåçóëüòàò |1i ñ âåðîÿòíîñòüþ |c2 |2 [2,11]. Òàêîé ôåíîìåí ïîëó÷èë
íàçâàíèå êîëëàïñà âîëíîâîé ôóíêöèè ïðè èçìåðåíèè è åãî ìîæíî òðàêòîâàòü
òàê: äî èçìåðåíèÿ êóáèò íåñåò â ñåáå êâàíòîâóþ èíôîðìàöèþ, à ïîñëå èçìåðåíèÿ îí îáëàäàåò òîëüêî êëàññè÷åñêîé èíôîðìàöèåé (òî åñòü íàõîäèòñÿ â îäíîì
èç áàçèñíûõ ñîñòîÿíèé |0i èëè |1i). Íà ñàìîì äåëå â êëàññè÷åñêîì êîìïüþòåðå
èçìåðèòåëüíûé ïðèáîð òîæå âëèÿåò íåêîòîðûì êâàíòîâûì îáðàçîì íà êëàññè÷åñêèé áèò, íî òàê êàê áèò ÿâëÿåòñÿ ìàêðîñêîïè÷åñêèì îáúåêòîì, òî âåëè÷èíû
ýòîãî âîçäåéñòâèÿ íå õâàòàåò äëÿ èçìåíåíèÿ åãî êëàññè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ.
Èçìåðåíèå çíà÷åíèÿ êóáèòà ýòî èçìåðåíèå ñ ïîìîùüþ íåêîòîðîãî êëàññè÷åñêîãî ïðèáîðà çíà÷åíèÿ ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû (ñïèí, ìîìåíò èìïóëüñà è òàê
äàëåå), êîòîðîé îáëàäàåò êâàíòîâàÿ ñèñòåìà, ðåàëèçóþùàÿ êóáèò, è çíà÷åíèÿìè
18
êîòîðîé êîäèðóåòñÿ êóáèò. Íàïðèìåð, åñëè ñîñòîÿíèÿ êóáèòà êîäèðóþòñÿ áàçèñíûìè ñîñòîÿíèÿìè ñïèí-ââåðõ è ñïèí-âíèç êâàíòîâîé ÷àñòèöû ñî ñïèíîì 1/2
â ìàãíèòíîì ïîëå [3], òî ïðîöåññ èçìåðåíèÿ çíà÷åíèÿ êóáèòà ïî ñóòè ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññîì èçìåðåíèÿ ñïèíà äàííîé ÷àñòèöû. Òî åñòü ñ êàæäîé ôèçè÷åñêîé
âåëè÷èíîé ñâÿçàí îïðåäåëåííûé áàçèñ ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà (àíàëîãè÷íî
áàçèñó ñïèí-ââåðõ è ñïèí-âíèç) è èçìåðåíèÿ ïðîèñõîäÿò â ýòîì áàçèñå.
Òàêèì îáðàçîì, â ñëó÷àå ðàáîòû ñ êóáèòàìè, ñ îäíîé ñòîðîíû ìû ïîëó÷àåì
áîëüøåå ìíîæåñòâî âîçìîæíûõ ñîñòîÿíèé, ÷åì äîñòóïíî â êëàññè÷åñêîì êîìïüþòåðå, à ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïðè èçìåðåíèè ìû ïîëó÷àåì âñå òå æå ñîñòîÿíèÿ,
÷òî è â êëàññè÷åñêîì ñëó÷àå, íî ðàñïðåäåëåííûå ñ íåêîòîðûìè âåðîÿòíîñòÿìè.
Êâàíòîâûé ãåéò
Äëÿ âûïîëíåíèÿ ëþáûõ âû÷èñëåíèé íà êâàíòîâîì êîìïüþòåðå íåîáõîäèìî óìåòü èçìåíÿòü ñîñòîÿíèÿ îòäåëüíûõ êóáèòîâ, òî åñòü èçìåíÿòü êâàíòîâóþ èíôîðìàöèþ, êîòîðóþ îíè õðàíÿò, îïðåäåëåííûì, äèêòóåìûì êîíêðåòíûì
êâàíòîâûì àëãîðèòìîì, îáðàçîì. Äëÿ ýòîé öåëè èñïîëüçóþòñÿ òàê íàçûâàåìûå
êâàíòîâûå ãåéòû.
Êâàíòîâûé ãåéò [10] óíèòàðíàÿ îïåðàöèÿ íàä êóáèòàìè, îïðåäåëåííàÿ íà
ñîâîêóïíîì ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå H âñåõ êóáèòîâ. Ñëåäñòâèåì óíèòàðíîñòè ÿâëÿåòñÿ îáðàòèìîñòü îïåðàöèè [9], ò. å. êâàíòîâûå âû÷èñëåíèÿ îáðàòèìûå âû÷èñëåíèÿ, â îòëè÷èå îò êëàññè÷åñêèõ âû÷èñëåíèé, íåîáðàòèìîñòü
êîòîðûõ ñëåäóåò èç ïîòåðü ýíåðãèè â èíòåãðàëüíûõ ñõåìàõ (ïðèíöèï Ëàíäàóýðà [236]). Ñ ôèçè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ, ïðèìåíåíèå êâàíòîâîãî ãåéòà ê êóáèòàì
ïðåäñòàâëÿåò èç ñåáÿ íåêîå ôèçè÷åñêîå âçàèìîäåéñòâèå óïðàâëÿþùèõ óñòðîéñòâ
ñ êâàíòîâîé ñèñòåìîé, ðåàëèçóþùåé ýòè êóáèòû.
Åñëè â ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå H âûáðàòü êîíêðåòíûé áàçèñ, òî óíèòàðíûå îïåðàòîðû ìîæíî ïðåäñòàâèòü óíèòàðíûìè ìàòðèöàìè â ýòîì áàçèñå. Òîãäà îäíîêóáèòíûå ãåéòû ïðåäñòàâëÿþòñÿ êâàäðàòíûìè óíèòàðíûìè ìàòðèöàìè
ðàçìåðíîñòè äâà, à ãåéòû äåéñòâóþùèå íà n êóáèòîâ ïðåäñòàâëÿþòñÿ óíèòàðíûìè ìàòðèöàìè ðàçìåðíîñòè 2n . Õîòÿ óíèòàðíûõ ìàòðèö è, ñëåäîâàòåëüíî,
ãåéòîâ ñóùåñòâóåò áåñêîíå÷íîå êîëè÷åñòâî [10], âñå æå ñóùåñòâóþò òàê íàçûâàåìûå óíèâåðñàëüíûå ãåéòû, ò. å. òàêèå ãåéòû, êîìáèíàöèåé êîòîðûõ ìîæíî
âîñïðîèçâåñòè äåéñòâèå ëþáîãî äðóãîãî ãåéòà.
19
Îñíîâíûìè îäíîêóáèòíûìè ãåéòàìè ÿâëÿþòñÿ: ãåéò ëîãè÷åñêîãî îòðèöàíèÿ
(ãåéò Ïàóëè X èëè NOT), ãåéòû Ïàóëè Y è Z è ãåéò Àäàìàðà H. Â ïðîèçâîëüíîì
îðòîíîðìèðîâàííîì áàçèñå |0i, |1i äâóìåðíîãî ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà H2
îäíîãî êóáèòà ýòèì ãåéòàì ñîîòâåòñòâóþò ñëåäóþùèå äâóìåðíûå ìàòðèöû.
Ëîãè÷åñêîå îòðèöàíèå (NOT) èëè ãåéò Ïàóëè X.
!
NOT
=
0 1
.
1 0
Ãåéò NOT ïðåîáðàçóåò îäíî áàçèñíîå ñîñòîÿíèå êóáèòà â äðóãîå:
= |1i, NOT|1i = |0i.  îòëè÷èå îò ñâîåãî êëàññè÷åñêîãî àíàëîãà,
îäíàêî, ïðèìåíåíèå ãåéòà NOT ê ëèíåéíîé êîìáèíàöèè áàçèñíûõ ñîñòîÿíèé α|0i + β|1i ïðèâîäèò ê ñîñòîÿíèþ α|1i + β|0i, êîòîðîå íå îðòîãîíàëüíî
èçíà÷àëüíîìó ñîñòîÿíèþ, à çíà÷èò ýòè äâà ñîñòîÿíèÿ íå ÿâëÿþòñÿ âçàèìî
èñêëþ÷àþùèìè, òàê êàê αh0| + βh1| (α|1i + β|0i) = αβ + βα 6= 0.
NOT|0i
Ãåéò Ïàóëè Y çàäàåòñÿ ìàòðèöåé
Y
!
0 −ı
.
ı 0
=
Ãåéò Y ïðåîáðàçóåò îäíî áàçèñíîå ñîñòîÿíèå â äðóãîå, êàê è ãåéò NOT, íî
òàêæå èçìåíÿåò èõ îòíîñèòåëüíûå ôàçû:
Y|0i
= ı|1i,
Y|1i
= −ı|0i.
Ãåéò Ïàóëè Z çàäàåòñÿ ìàòðèöåé
!
Z
=
1 0
.
0 −1
Ãåéò Y ïðåîáðàçóåò áàçèñíûå ñîñòîÿíèÿ ñàìè â ñåáÿ, êàê è òîæäåñòâåííûé
ãåéò I , íî òàêæå èçìåíÿåò èõ îòíîñèòåëüíûå ôàçû: Z|0i = |0i, Z|1i = −|1i.
Ãåéò Àäàìàðà
H1
çàäàåòñÿ ìàòðèöåé
H1
1
=√
2
!
1 1
.
1 −1
20
Äàííûé ãåéò ÷àñòî ïðèìåíÿåòñÿ êàê ïåðâûé è ïîñëåäíèé øàã ìíîãèõ èçâåñòíûõ êâàíòîâûõ àëãîðèòìîâ, òàê êàê ïåðåâîäèò áàçèñíûå ñîñòîÿíèÿ |0i,
√
√
|1i â ðàâíîâåðîÿòíûå êîìáèíàöèè (|0i + |1i)/ 2 è (|0i − |1i)/ 2.
 êà÷åñòâå ïðèìåðîâ äâóõêóáèòíûõ ãåéòîâ ìîæíî ïðèâåñòè ãåéò CNOT êîíòðîëèðóåìîãî îòðèöàíèÿ è äâóõêóáèòíûé ãåéò
1
0
CNOT =
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
,
1
0
H2
H2
= H1 ⊗ H1 Àäàìàðà.
1 1 1 1
1
−1
1
−1
1
.
=
2 1 1 −1 −1
1 −1 −1 1
Äåéñòâèå ãåéòà CNOT ýêâèâàëåíòíî ïðèìåíåíèþ ãåéòà NOT êî âòîðîìó
êóáèòó, òîëüêî åñëè ïåðâûé êóáèò íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè |1i, è ïðèìåíåíèþ
òîæäåñòâåííîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ I , åñëè ïåðâûé êóáèò íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè
|0i. Òàêèì îáðàçîì, ïåðâûé êóáèò ÿâëÿåòñÿ óïðàâëÿþùèì (êîíòðîëèðóþùèì)
è åãî çíà÷åíèå íå ìåíÿåòñÿ â ðåçóëüòàòå ïðèìåíåíèÿ ãåéòà CNOT.
Ãåéò H2 ýêâèâàëåíòåí ïðèìåíåíèþ ãåéòà Àäàìàðà H1 îäíîâðåìåííî ê îáîèì
êóáèòàì, ÿâëÿñü, òàêèì îáðàçîì, ïðèìåðîì ãåéòà, êîòîðûé ìîæíî ðàçëîæèòü
íà îòäåëüíûå ãåéòû, äåéñòâóþùèå òîëüêî íà îäèí êóáèò.
Òàêæå èíòåðåñíûìè äâóõêóáèòíûìè ãåéòàìè ÿâëÿþòñÿ ãåéò îáìåíà SWAP,
êîòîðûé ïðîèçâîäèò îáìåí áàçèñíûõ ñîñòîÿíèé äâóõ êóáèòîâ ìåæäó ñîáîé, òî
åñòü åñëè ïåðâûé è âòîðîé êóáèòû íàõîäÿòñÿ, íàïðèìåð, â áàçèñíûõ ñîñòîÿíèÿõ
|0i è |1i, òî ïîñëå ïðèìåíåíèÿ ê íèì ãåéòà SWAP êóáèòû ïåðåéäóò â ñîñòîÿ√
íèÿ |1i è |0i ñîîòâåòñòâåííî, è ãåéò SWAP, êîòîðûé âûïîëíÿåò ãåéò SWAP
íàïîëîâèíó, òî åñòü ïîâòîðíîå åãî ïðèìåíåíèå äàñò ãåéò SWAP.
1
0
SWAP =
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
,
0
1
1
√
0
SWAP =
0
0
0
0
0
1
1
(1
+
ı)
(1
−
ı)
0
2
2
.
1
1
2 (1 − ı) 2 (1 + ı) 0
0
0
1
Íàáîð èç âñåâîçìîæíûõ îäíîêóáèòíûõ ãåéòîâ è ãåéòà CNOT ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíûì íàáîðîì â òîì ñìûñëå, ÷òî ëþáîé ãåéò ìîæåò ïðåäñòàâëåí êàê êîìïîçèöèÿ ãåéòîâ èç ýòîãî íàáîðà [8]. Äðóãèì âàðèàíòîì óíèâåðñàëüíîãî íàáîðà
ÿâëÿåòñÿ ãåéò
√
SWAP
è âñå îäíîêóáèòíûå ãåéòû. Èìåþòñÿ è äðóãèå íàáîðû [8].
21
1.1.2
Îñîáåííîñòè.
Áëàãîäàðÿ çàêîíàì êâàíòîâîé ìåõàíèêè (ñì. ïðèëîæå-
íèå 1), ïî êîòîðûì ðàáîòàþò îïèñàííûå âûøå áëîêè, êâàíòîâûé êîìïüþòåð
îáëàäàåò íåñêîëüêèìè óäèâèòåëüíûìè è ïîëåçíûìè îñîáåííîñòÿìè.
Êâàíòîâûé ïàðàëëåëèçì
Òàê, âî-ïåðâûõ, áëàãîäàðÿ ïðèíöèïó ñóïåðïîçèöèè (ñì. ïðèëîæåíèå 1) ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì âû÷èñëÿòü íåñêîëüêî çíà÷åíèé ôóíêöèè f îäíîâðåìåííî,
èëè äðóãèìè ñëîâàìè, ïàðàëëåëüíî [9], ÷òî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óñêîðåíèþ êâàíòîâûõ àëãîðèòìîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ êëàññè÷åñêèìè, îäíàêî ïðè èçìåðåíèè ìû ìîæåì ïîëó÷èòü òîëüêî îäíî èç ýòèõ çíà÷åíèé. Òåì íå ìåíåå, ýòî
ÿâëåíèå øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â êâàíòîâûõ àëãîðèòìàõ [10].
Äîïóñòèì, ÷òî èìååòñÿ êâàíòîâûé ãåéò U , êîòîðûé äåéñòâóåò íà äâà êóáèòà,
íàõîäÿùèõñÿ â ñîñòîÿíèè |x, yi, òàêèì îáðàçîì, ÷òî èõ ñîñòîÿíèå ïåðåõîäèò
â ñîñòîÿíèå |x, y ⊕ f (x)i, ãäå f (x) íåêîòîðàÿ êëàññè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ, à ⊕
îïåðàöèÿ ïîáèòîâîãî èñêëþ÷àþùåãî èëè. Òîãäà åñëè ïðèìåíèòü ãåéò U ê
ñóïåðïîçèöèè ñîñòîÿíèé c1 |x, 0i + c2 |z, 0i, òî ïîëó÷èì (â ñèëó ëèíåéíîñòè U )
U (c1 |x, 0i + c2 |z, 0i) = c1 |x, f (x)i + c2 |z, f (z)i.
Ìîæíî òðàêòîâàòü äàííûé ðåçóëüòàò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïîñëå îäíîðàçîâîãî
ïðèìåíåíèÿ êâàíòîâîãî ãåéòà, ìû âû÷èñëèëè ñðàçó äâà çíà÷åíèÿ ôóíêöèè f
îäíîâðåìåííî, èëè äðóãèìè ñëîâàìè, ïàðàëëåëüíî, íî ïðè èçìåðåíèè ìû ñìîæåì ïîëó÷èì òîëüêî îäíî èç íèõ ñ íåêîòîðûìè âåðîÿòíîñòÿìè.  îáùåì ñëó÷àå
ìîæíî äîáèòüñÿ âû÷èñëåíèÿ ñðàçó n çíà÷åíèé ôóíêöèè îäíîâðåìåííî. Òàêèì
îáðàçîì, êâàíòîâûé êîìïüþòåð èçíà÷àëüíî îáëàäàåò âñòðîåííûì ïàðàëëåëèçìîì, ÷òî, êàê îæèäàåòñÿ, ïîçâîëèò ïðîèçâîäèòü áîëåå áûñòðûå âû÷èñëåíèÿ, ÷åì
ýòî âîçìîæíî ñ ïîìîùüþ êëàññè÷åñêèõ êîìïüþòåðîâ.
Çàïðåò êëîíèðîâàíèÿ
Âî-âòîðûõ, â îáùåì ñëó÷àå òî÷íîå êëîíèðîâàíèå (èëè êîïèðîâàíèå) íåèçâåñòíîãî êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ çàïðåùåíî çàêîíàìè êâàíòîâîé ìåõàíèêè [9], íî
ðå÷ü èäåò òîëüêî î íåèçâåñòíîì çàðàíåå ñîñòîÿíèè; åñëè æå èçâåñòíà àïðèîðíàÿ
èíôîðìàöèÿ î ñîñòîÿíèè, òî ìîæíî èçîáðåñòè óíèòàðíóþ îïåðàöèþ, êîòîðàÿ
áóäåò òî÷íûå ñîçäàâàòü êîïèè òàêîãî ñîñòîÿíèÿ.
22
Ìàòåìàòè÷åñêè äàííûé ïðèíöèï îçíà÷àåò, ÷òî íå ñóùåñòâóåò òàêîãî óíèòàðíîãî îïåðàòîðà U , äåéñòâóþùåãî íà ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå ñîñòîÿíèé
H2 ⊗ H2 äâóõ êóáèòîâ, êîòîðûé êîïèðîâàë áû ïðîèçâîëüíîå ñîñòîÿíèå îäíîãî
êóáèòà â ñîñòîÿíèå äðóãîãî êóáèòà, ò. å. íå ñóùåñòâóåò òàêîãî U , ÷òî äëÿ âñåõ
|ψi è |φi âûïîëíÿåòñÿ
U |ψi ⊗ |φi = |ψi ⊗ |ψi.
Ñ äðóãîé ñòîðîíû, íåâîçìîæíîñòü êîïèðîâàíèÿ îçíà÷àåò, ÷òî ïðè ïåðåäà÷å êâàíòîâîé èíôîðìàöèè ìåæäó äâóìÿ ó÷àñòíèêàìè òðåòüÿ ñòîðîíà íå ñìîæåò ïåðåõâàòèòü ýòó èíôîðìàöèþ áåç åå èçìåíåíèÿ, ÷òî ñëóæèò îñíîâîé äëÿ
òåõíèêè áåçîïàñíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ êâàíòîâîãî êëþ÷à â îáëàñòè êâàíòîâîé
êðèïòîãðàôèè [191]. Õîòÿ íåâîçìîæíî òî÷íî êîïèðîâàòü êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå,
èçâåñòåí ðåçóëüòàò [84] ïî ìàêñèìèçàöèè òî÷íîñòè îïåðàöèè êëîíèðîâàíèÿ.
Êâàíòîâàÿ çàïóòàííîñòü
Â-òðåòüèõ, êâàíòîâûå êîìïüþòåðû îáëàäàþò êâàíòîâîé çàïóòàííîñòüþ [8].
Ïîä òàêèì íàçâàíèåì èçâåñòåí ôåíîìåí, êîãäà ñîñòîÿíèÿ äâóõ è áîëåå êâàíòîâûõ ñèñòåì ñòàíîâÿòñÿ âçàèìîñâÿçàííûìè, ò. å. åñëè èçâåñòíî ñîñòîÿíèå îäíîé
èç ýòèõ ñèñòåì, òî ìîæíî ñðàçó æå çàêëþ÷èòü î ñîñòîÿíèè îñòàëüíûõ ñèñòåì,
ïðè÷åì êàê áû äàëåêî ýòè ñèñòåìû íè áûëè óäàëåíû â ïðîñòðàíñòâå äðóã îò äðóãà, äàæå íàðóøàÿ òàêèì îáðàçîì ïðèíöèï ïðåäåëüíîñòè ñêîðîñòè ñâåòà ïðè ïåðåäà÷å âçàèìîäåéñòâèÿ. Îäíàêî, ýòè ïðîòèâîðå÷èÿ íå ìåøàþò íàáëþäàòü ýòîò
ôåíîìåí íà ïðàêòèêå è àêòèâíî åãî èñïîëüçîâàòü â êâàíòîâûõ àëãîðèòìàõ [8].
Äëÿ êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà ýòî ÿâëåíèå íîñèò äâîÿêèé õàðàêòåð. Ñ îäíîé
ñòîðîíû, ìîæíî ìãíîâåííî ðàáîòàòü ñðàçó ñ íåñêîëüêèìè ñèñòåìàìè, âîçäåéñòâóÿ òîëüêî íà îäíó èç íèõ, ÷òî ïðèâîäèò ê áûñòðûì âû÷èñëåíèÿì. Ñ äðóãîé
ñòîðîíû, âñå ðåàëüíûå ñèñòåìû â äåéñòâèòåëüíîñòè îòêðûòûå, ò. å. âçàèìîäåéñòâóþò ñ îáúåêòàìè âíåøíåãî ìèðà, è ïîäîáíîå ñâÿçûâàíèå ñ îêðóæàþùèì
ìèðîì êðàéíå íåæåëàòåëüíî è ðàçðóøèòåëüíî äëÿ êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà, òàê
êàê ïðèâîäèò ê íåïðåäñêàçóåìûì èçìåíåíèÿì çíà÷åíèé êóáèòîâ, òî åñòü ïîòåðå
êîãåðåíòíîñòè. Ê òîìó æå ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî êâàíòîâûé êîìïüþòåð òîëüêî òîãäà
ìîæíî íàçâàòü èñòèííî êâàíòîâûì, êîãäà â íåì èìååòñÿ âîçìîæíîñòü ñîçäàòü
êâàíòîâóþ çàïóòàííîñòü ìåæäó ïðîèçâîëüíûìè êóáèòàìè.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå,
ýòî áóäóò îáû÷íûå êëàññè÷åñêèå âû÷èñëåíèÿ, íî ñ èñïîëüçîâàíèåì êâàíòîâîé
àïïàðàòóðû, ÷òî áóäåò ïðèâîäèòü ê áîëåå ìåäëåííûì âû÷èñëåíèÿì.
23
Îêàçûâàåòñÿ [42], ÷òî äëÿ ñîçäàíèÿ çàïóòàííîñòè ìîæíî èñïîëüçîâàòü êâàíòîâûå èçìåðåíèÿ, áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî ïåðâûé øàã ïðîöåññà èçìåðåíèÿ ñîñòîèò
â óñòàíîâëåíèè êîððåëÿöèè ìåæäó ñèñòåìîé è èçìåðèòåëüíûì àïïàðàòîì. Ýòà
êîððåëÿöèÿ ìîæåò êàê ðàç îêàçàòüñÿ êâàíòîâîé çàïóòàííîñòüþ.
Ìàòåìàòè÷åñêîå îïèñàíèå çàïóòàííûõ ñîñòîÿíèé äâóõ êóáèòîâ âûãëÿäèò
ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñ êàæäûì êóáèòîì àññîöèèðîâàíî ãèëüáåðòîâî ïðîñòðàíñòâî H2 ñ áàçèñîì ïåðâîãî êóáèòà |ai, |bi è áàçèñîì âòîðîãî êóáèòà |αi, |βi.
Òîãäà ñèñòåìà èç äâóõ êóáèòîâ ìîæåò íàõîäèòüñÿ â ëþáîì èç ñîñòîÿíèé âèäà
|ψi = c1 |aαi + c2 |aβi + c3 |bαi + c4 |bβi,
ãäå êîìïëåêñíûå êîýôôèöèåíòû {ci }4i=1 óäîâëåòâîðÿþò óñëîâèþ íîðìèðîâàííîñòè |c1 |2 + |c2 |2 + |c3 |2 + |c4 |2 = 1. Ïîäîáíîå ñîñòîÿíèå áóäåò íàçûâàòüñÿ çàïóòàííûì, åñëè åãî íåëüçÿ áóäåò ïðåäñòàâèòü êàê òåíçîðíîå ïðîèçâåäåíèå îòäåëüíûõ
ñîñòîÿíèÿ ïåðâîãî êóáèòà íà ñîñòîÿíèå âòîðîãî êóáèòà, ò. å. ñîñòîÿíèÿ âèäà
|ψi = (d1 |ai + d2 |bi) ⊗ (d3 |αi + d4 |βi)
íå ÿâëÿþòñÿ êâàíòîâî-çàïóòàííûìè, ñîîòâåòñòâóþùèå êóáèòû íå êîððåëèðóþò
è èõ ìîæíî èçó÷àòü ïî îòäåëüíîñòè.
Çàïóòàííûì â ðàìêàõ äàííîãî îïðåäåëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ, íàïðèìåð, ñîñòîÿíèå
1
1
√ |aαi + √ |bβi.
2
2
Òîãäà åñëè ïðîèçâåñòè èçìåðåíèå ïåðâîãî êóáèòà, òî ïåðâûé êóáèò ïåðåéäåò
ëèáî â ñîñòîÿíèå |ai ñ âåðîÿòíîñòüþ 1/2, ëèáî â ñîñòîÿíèå |bi ñ âåðîÿòíîñòüþ
1/2.  ëþáîì ñëó÷àå íå áóäåò íåîáõîäèìîñòè ïðîèçâîäèòü èçìåðåíèÿ âòîðîãî
êóáèòà, òàê êàê ñ âåðîÿòíîñòüþ 1 áóäåò èçâåñòíî â êàêîì ñîñòîÿíèè îí íàõîäèòñÿ
ãëÿäÿ íà ðåçóëüòàò èçìåðåíèÿ ïåðâîãî êóáèòà. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî âîçäåéñòâóÿ
èçìåðèòåëüíûì ïðèáîðîì íà ïåðâûé êóáèò, âòîðîé êóáèò íåêèì îáðàçîì ýòî
÷óâñòâóåò è èçìåíÿåò ñâîå ñîñòîÿíèå ñîãëàñíî ðåçóëüòàòó èçìåðåíèÿ.
Ñóììèðóÿ âñå ñêàçàííîå ìîæíî âèäåòü, ÷òî êâàíòîâûé êîìïüþòåð îáëàäàåò
íåñêîëüêèìè ïðèâëåêàòåëüíûìè äëÿ âû÷èñëåíèé îñîáåííîñòÿìè, çà êîòîðûå,
îäíàêî, ïðèõîäèòñÿ ïëàòèòü ñëîæíîñòüþ èõ èñïîëüçîâàíèÿ.
24
1.1.3
Êîäèðîâàíèå ñîñòîÿíèé.
Êàæäûé êóáèò èìååò â ñâîåé îñíîâå êâàí-
òîâóþ ñèñòåìó, êîòîðàÿ ìîæåò èìåòü ëèáî äèñêðåòíûé ñïåêòð ýíåðãèé, ëèáî
íåïðåðûâíûé ñïåêòð ýíåðãèé, ïîýòîìó è êâàíòîâûå âû÷èñëåíèÿ ìîæíî îïèñûâàòü ëèáî â òåðìèíàõ äèñêðåòíûõ, ëèáî â òåðìèíàõ íåïðåðûâíûõ ïåðåìåííûõ [197]. Íåïðåðûâíûå ïåðåìåííûå êâàíòîâûå ïåðåìåííûå áåñêîíå÷íîìåðíîãî ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà, íàïðèìåð êâàäðàòóðû àìïëèòóäû è ôàçû îïòè÷åñêîãî ïîëÿ [28]. Äèñêðåòíûå ïåðåìåííûå âêëþ÷àþò â ñåáÿ, íàïðèìåð, ñïèíîâûå ÷èñëà èëè ïîëÿðèçàöèþ ôîòîíîâ [8].
Äèñêðåòíîå è íåïðåðûâíîå êîäèðîâàíèÿ ìîæíî ïðèìåíÿòü äëÿ ïåðåäà÷è ñ
ïîìîùüþ îäíîãî êóáèòà áîëåå îäíîãî áèòà èíôîðìàöèè ïî êâàíòîâûì êàíàëàì
ñâÿçè. Òàêàÿ òåõíèêà íàçûâàåòñÿ ïëîòíûì êîäèðîâàíèåì [178, 271].
Ñ ïîìîùüþ êîäèðîâàíèÿ òàêæå ìîæíî áîðîòüñÿ ñ íåæåëàòåëüíûì âîçäåéñòâèåì îêðóæàþùèõ îáúåêòîâ íà êâàíòîâóþ ñèñòåìó, ñ òàê íàçûâàåìûì øóìîì.
Òàê îäíî ëîãè÷åñêîå ñîñòîÿíèå êóáèòà ìîæåò áûòü çàêîäèðîâàíî â êîëëåêòèâíîì ñîñòîÿíèè íåñêîëüêèõ ôèçè÷åñêèõ êóáèòîâ, â òàê íàçûâàåìûõ ïîäïðîñòðàíñòâàõ ëèøåííûõ äåêîãåðåíöèè, áëàãîäàðÿ ÷åìó ïîÿâëÿåòñÿ íåêîòîðàÿ íåâîñïðèèì÷èâîñòü ê øóìàì [134,151,306]. Íàïðèìåð, ìîæíî çàêîäèðîâàòü äâóà ëîãè÷åñêèõ êóáèòîâ ñ ïîìîùüþ ÷åòûðåõ ñâåðõïðîâîäÿùèõ ôèçè÷åñêèõ êóáèòîâ [297].
1.1.4
Êâàíòîâîå øèôðîâàíèå.
Êâàíòîâîå øèôðîâàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
òåõíèêó áåçîïàñíîãî îáìåíà èíôîðìàöèåé ìåæäó äâóìÿ ñòîðîíàìè îáìåíà çà
ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ êâàíòîâûõ êàíàëîâ ñâÿçè [8]. Ãëàâíîå ïðèìåíåíèå êâàíòîâîå øèôðîâàíèå íàõîäèò â çàäà÷å îáìåíà êëþ÷àìè øèôðîâàíèÿ ïî êâàíòîâîìó
êàíàëó äëÿ òîãî, ÷òîáû çàòåì ìîæíî áûëî ñâîáîäíî îáìåíèâàòüñÿ çàêîäèðîâàííîé èíôîðìàöèåé ïî îòêðûòûì êëàññè÷åñêèì êàíàëàì [129,279]. Áëàãîäàðÿ
îñîáåííîñòÿì ïðîöåññà èçìåðåíèÿ êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ ïðè ïåðåäà÷å ñåêðåòíîãî êëþ÷à ìîæíî ëåãêî îïðåäåëèòü áûë ëè ýòîò êëþ÷ ïåðåõâà÷åí òðåòüèìè
ëèöàìè, òàê êàê êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå êëþ÷à áóäåò îòëè÷àòüñÿ îò òîãî, êîòîðîå
áûëî ïðè åãî îòïðàâêå, ïðè÷åì ýòî èçìåíåíèå íåîáðàòèìî.
Åñòü îñíîâàíèÿ ïîëàãàòü, ÷òî ïî àíàëîãèè ñ êëàññè÷åñêèìè êîìïüþòåðàìè â
áóäóùåì áóäóò ñóùåñòâîâàòü îáëà÷íûå êâàíòîâûå êîìïüþòåðû, êîòîðûå áóäóò
âûïîëíÿòü ïðîèçâîëüíûå ïðîãðàììû äëÿ ïîëüçîâàòåëüñêèõ öåëåé. Ïîýòîìó íà
îñíîâå êâàíòîâûõ ñõåì øèôðîâàíèÿ, áûëè ñîçäàíû ïðîòîêîëû äëÿ áåçîïàñíîãî
äåëåãèðîâàíèÿ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé è ïîääåðæêè ïðèâàòíîñòè [135].
25
1.1.5
Ðåàëèçàöèÿ ãåéòîâ.
Äëÿ ðåàëèçàöèè ïðîèçâîëüíîãî ãåéòà íà êâàíòî-
âîì êîìïüþòåðå ñíà÷àëà íåîáõîäèìî åãî ðàçëîæèòü ïî áàçèñó óíèâåðñàëüíûõ
ãåéòîâ, ðåàëèçîâàííûõ â äàííîì êîìïüþòåðå, õîòÿ áû ïðèáëèæåííî [213]. Äëÿ
ýòîãî èìååòñÿ òåîðåìà Êèòàåâà [124], êîòîðàÿ äëÿ ñëó÷àÿ ðàçëîæåíèÿ ïðîèçâîëüíîãî îäíîêóáèòíîãî ãåéòà íà ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ãåéòîâ, âçÿòûõ èç ôèêñèðîâàííîãî è êîíå÷íîãî íàáîðà ãåéòîâ, ïðèâîäèò ê âðåìåííûì çàòðàòàì
O(log2.71 (1/)) è äàåò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èç O(log3.97 (1/)) ãåéòîâ, êîòîðàÿ ïðèáëèçèò íà÷àëüíûé ãåéò ñ òî÷íîñòüþ .
Ñòîèò îáðàòèòü âíèìàíèå íà òî, ÷òî â ýêñïåðèìåíòàõ èìååòñÿ ìíîæåñòâî ðåçóëüòàòîâ ïî ïîñòðîåíèþ ãåéòîâ ñ òî÷íîñòüþ 99, 9% äëÿ îäíîêóáèòíûõ ãåéòîâ è
99% äëÿ äâóõêóáèòíûõ ãåéòîâ, ãäå â êà÷åñòâå ìåðû òî÷íîñòè ïîñòðîåíèÿ ãåéòà
áåðåòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ ñðåäíÿÿ íàäåæíîñòü ãåéòà ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå îøèáîê. Îäíàêî, îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ñâÿçü ìåæäó ñðåäíèìè íàäåæíîñòÿìè
ãåéòîâ è òðåáîâàíèÿìè äëÿ óñòîé÷èâîñòè ê îøèáêàì íå ÿâëÿåòñÿ ïðÿìîé, è èñïîëüçîâàíèå ìåðû â âèäå ñðåäíåé íàäåæíîñòè íåäîîöåíèâàåò óíèòàðíûå îøèáêè [264]. Òàê äëÿ äâóõêóáèòíîãî ãåéòà, ðåàëèçîâàííîãî ñî ñðåäíåé íàäåæíîñòüþ
99%, îøèáêè âñå ðàâíî áóäóò ïîÿâëÿòüñÿ ñ âåðîÿòíîñòüþ 13%. Äëÿ äîñòèæåíèÿ âåðîÿòíîñòè ïîÿâëåíèÿ îøèáîê ìåíåå 1% äâóõêóáèòíûé ãåéò íåîáõîäèìî
ðåàëèçîâàòü ñî ñðåäíåé íàäåæíîñòüþ áîëåå 99.9995% [264].
Êðîìå ðåøåíèÿ çàäà÷è ðàçëîæåíèÿ êâàíòîâîãî àëãîðèòìà íà ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ãåéòîâ, íåîáõîäèìî èìåòü â âèäó, ÷òî ñóùåñòâóåò ïðåäåëüíîå ìèíèìàëüíîå
âðåìÿ äëÿ ðåàëèçàöèè ãåéòîâ, îïðåäåëÿåìîå ôèçè÷åñêèìè îãðàíè÷åíèÿìè êâàíòîâîé ñèñòåìû [261].  ÷àñòíîñòè, ôèçè÷åñêèå çàêîíû äâèæåíèÿ îãðàíè÷èâàþò
ñêîðîñòü, ñ êîòîðîé êâàíòîâûé êîìïüþòåð ìîæåò ïåðåõîäèòü ìåæäó õîðîøî
îïðåäåëåííûìè ñîñòîÿíèÿìè.
Ìèíèìàëüíîå âðåìÿ ìîæíî âû÷èñëèòü àíàëèòè÷åñêè òîëüêî äëÿ êâàíòîâûõ
ñèñòåì ìàëîé ðàçìåðíîñòè íà îñíîâå ðàçëîæåíèÿ Êàðòàíà [172], îäíàêî òàêîå
ðàçëîæåíèå íå åäèíñòâåííî è ðåçóëüòàòû òðóäíî ïðèìåíèòü ê îïðåäåëåííîìó
óíèòàðíîìó îïåðàòîðó. Òàêæå ìîæíî èñïîëüçîâàòü ëîêàëüíûå èíâàðèàíòû, àññîöèèðîâàííûå ñ ëîêàëüíûìè ïðåîáðàçîâàíèÿìè ýêâèâàëåíòíîñòè óíèòàðíûõ
îïåðàòîðîâ [184], ÷üÿ ïðèìåíèìîñòü òîæå îãðàíè÷åíà ñèñòåìàìè ìàëîé ðàçìåðíîñòè (îäèí èëè äâà êóáèòà).  îñòàëüíûõ ñëó÷àÿõ ìèíèìàëüíîå âðåìÿ îöåíèâàþò äëÿ êàæäîé çàäà÷è îòäåëüíî ñ ïîìîùüþ ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ. Â
òàêîì ïîäõîäå àêòèâíî èñïîëüçóåòñÿ ÷èñëåííûé àëãîðèòì D-MORPH [204].
26
1.1.6
Ïîäõîäû ê âû÷èñëåíèÿì.
Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ïîäõîäîâ ê âûïîë-
íåíèþ âû÷èñëåíèé íà êâàíòîâîì êîìïüþòåðå:
1. Ìîæíî ïðèìåíÿòü ðàçëè÷íûå óïðàâëÿþùèå âîçäåéñòâèÿ, òàêèå êàê ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ, ÷òîáû âûçâàòü æåëàåìûå ïåðåõîäû ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè êâàíòîâîé ñèñòåìû, è ðåàëèçîâûâàòü ëîãè÷åñêèå îïåðàöèè [8]. Âåñü
ïðîöåññ âû÷èñëåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòü òàêèõ ëîãè÷åñêèõ îïåðàöèé êâàíòîâûõ ãåéòîâ. Ýòà ìîäåëü ïîëó÷èëà íàçâàíèå ñõåìíîé
ìîäåëè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
2. Åñòü ìîäåëü êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé, îñíîâàííàÿ íà èñïîëüçîâàíèè òîëüêî èçìåðåíèé çàïóòàííûõ ñîñòîÿíèé êóáèòîâ [169, 250]. Ñ ïîìîùüþ òàêèõ
èçìåðåíèé è íàëè÷èÿ êîððåëÿöèé ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè êóáèòîâ ñòàíîâèòñÿ
âîçìîæíûì îïðåäåëåííûì îáðàçîì èçìåíÿòü ñîñòîÿíèÿ âñåõ êóáèòîâ.
3. Èìååòñÿ ïîäõîä, îñíîâàííûé íà èñïîëüçîâàíèè àäèàáàòè÷åñêîé òåîðåìû,
êîòîðûé íàçûâàåòñÿ àäèàáàòè÷åñêèìè êâàíòîâûìè âû÷èñëåíèÿìè [131]. Â
ýòîì ïîäõîäå ïåðåõîä ñèñòåìû èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå ðåàëèçóåòñÿ
êàê ìåäëåííîå (àäèàáàòè÷åñêîå) èçìåíåíèå ãàìèëüòîíèàíà, êîòîðîå ãàðàíòèðóåò [26], ÷òî, åñëè â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè ñèñòåìà íàõîäèëàñü â
ñîñòîÿíèè ñ íàèìåíüøåé ýíåðãèåé íà÷àëüíîãî íàìèëüòîíèàíà, òî â êîíå÷íûé ìîìåíò âðåìåíè îíà òîæå áóäåò íàõîäèòüñÿ â ñîñòîÿíèè ñ íàèìåíüøåé
ýíåðãèåé, íî óæå äðóãîãî ãàìèëüòîíèàíà. Åñëè çàêîäèðîâàòü â êîíå÷íîì
ñîñòîÿíèè íàèìåíüøåé ýíåðãèè îòâåò íà èíòåðåñóþùóþ çàäà÷ó, òî ìîæíî
òàêèì îáðàçîì îðãàíèçîâàòü âû÷èñëåíèÿ.
4. Èìååòñÿ ïîäõîä ïîä íàçâàíèåì ãåîìåòðè÷åñêèå âû÷èñëåíèÿ [280], îñíîâàííûé íà èäåå, ÷òî ãåîìåòðè÷åñêàÿ ôàçà (ôàçà Áåððè) êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ
ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà äëÿ ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ, ïðè÷åì ýòîò
âèä âû÷èñëåíèé îáëàäàåò óñòîé÷èâîñòüþ ê ïàðàìåòðè÷åñêîìó øóìó. Ôàçà,
íàêîïëåííàÿ â ïðîöåññå ýâîëþöèè ñîñòîÿíèÿ, ðàñêëàäûâàåòñÿ íà ãåîìåòðè÷åñêóþ è äèíàìè÷åñêóþ è çàäà÷à ãåîìåòðè÷åñêèõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé
ñîñòîèò â èñêëþ÷åíèè äèíàìè÷åñêîé ôàçû. Äàííûé ïîäõîä áûë ðåàëèçîâàí
ñèñòåìàõ ÿäåðíîãî ìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà, â èîííûõ ëîâóøêàõ, ñâåðõïðîâîäÿùèõ êóáèòàõ è òâåðäîòåëüíûõ ñèñòåìàõ [336].
27
1.1.7
Ôèçè÷åñêèå ðåàëèçàöèè êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà.
Äëÿ òîãî, ÷òîáû
íåêàÿ ôèçè÷åñêàÿ ñèñòåìà ìîãëà ñëóæèòü îñíîâîé äëÿ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé,
òî åñòü áûòü ðåàëèçàöèåé îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ êóáèòîâ, äîëæíû áûòü âûïîëíåíû ñëåäóþùèå òðåáîâàíèÿ [117]:
1. Ôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû ñèñòåìû äîëæíû áûòü èçâåñòíû è êàæäûé êóáèò
äîëæåí àäåêâàòíî ïðåäñòàâëÿòüñÿ äâóìåðíûì ãèëüáåðòîâûì ïðîñòðàíñòâîì.
Äîëæíî áûòü èçâåñòíî î íàëè÷èè è ñèëå ñâÿçè ñ äðóãèìè ñîñòîÿíèÿìè êóáèòàìè, äîëæíû áûòü èçâåñòíû âçàèìîäåéñòâèÿ ñ äðóãèìè êóáèòàìè è âíåøíèìè ïîëÿìè.
2. Âîçìîæíîñòü èíèöèàëèçèðîâàòü êóáèòû â èçâåñòíîì íà÷àëüíîì ñîñòîÿíèè.
Òàêîå ñîñòîÿíèå íåîáõîäèìî äëÿ îðãàíèçàöèè âû÷èñëåíèé è äëÿ êîððåêöèè
îøèáîê (òðåáóåòñÿ ïîòîê ñîñòîÿíèé ñ íèçêîé ýíòðîïèåé).
3. Áîëüøèå âðåìåíà äåêîãåðåíöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ äëèòåëüíîñòÿìè ãåéòîâ.
Åñëè âðåìÿ äåêîãåðåíöèè áîëüøå, ÷åì 104 105 äëèòåëüíîñòåé ãåéòà, òî ìîæíî ïðîâîäèòü âû÷èñëåíèÿ çà ñ÷åò êîððåêöèè îøèáîê.
4. Óíèâåðñàëüíûé íàáîð êâàíòîâûõ ãåéòîâ.
Òàêîé êîíå÷íûé íàáîð ãåéòîâ, ÷åðåç êîòîðûé ìîæíî (õîòÿ áû ïðèáëèæåííî)
âû÷èñëèòü äåéñòâèå ïðîèçâîëüíîãî êâàíòîâîãî ãåéòà íà êóáèòû.
5. Âîçìîæíîñòü èçìåðÿòü êàæäûé êóáèò îòäåëüíî.
Íåîáõîäèìîñòü â ñ÷èòûâàíèè çíà÷åíèé îòäåëüíûõ êóáèòîâ áåç íåïîñðåäñòâåííîãî âëèÿíèÿ íà äðóãèå êóáèòû.
Èìååòñÿ íåñêîëüêî ðàçëè÷íûõ ðàáîòàþùèõ ôèçè÷åñêèõ ðåàëèçàöèé êóáèòîâ, îñíîâàííûõ íà ÿäåðíîì ìàãíèòíîì ðåçîíàíñå [247], íà NV-öåíòðàõ â àëìàçàõ [101], íà èîíàõ â ýëåêòðîìàãíèòíûõ ëîâóøêàõ [198], íà õîëîäíûõ íåéòðàëüíûõ àòîìàõ [263], íà ñâåðõïðîâîäÿùèõ êîíòóðàõ [168] è íà êâàíòîâûõ
òî÷êàõ [195]. Òåîðåòè÷åñêè [200] ìîæíî òàêæå âûïîëíÿòü êâàíòîâûå âû÷èñëåíèÿ èñïîëüçóÿ ìîëåêóëÿðíûå âíóòðåííèå (ýëåêòðîííûå, âèáðàöèîííûå è âðàùàòåëüíûå) ñòåïåíè ñâîáîäû ñ èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ, íî íà ïðàêòèêå ýòîãî ñëîæíî äîáèòüñÿ.
28
Êóáèòû, îñíîâàííûå íà ÿäåðíîì ìàãíèòíîì ðåçîíàíñå, êîäèðóþòñÿ ñîñòîÿíèÿìè ñïèíà ýëåêòðîíîâ è àòîìîâ, ïîìåùåííûõ â ïîñòîÿííîå ìàãíèòíîå ïîëå,
òî åñòü ñîñòîÿíèÿìè ÷àñòèö ñî ñïèíîì 1/2: ñîñòîÿíèå ñïèí ïî ïîëþ è ñîñòîÿíèå ñïèí ïðîòèâ ïîëÿ [247].  ýòîé ñõåìå ìîæíî ëåãêî îáðàùàòüñÿ ñ ïîìîùüþ
äîïîëíèòåëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ê îòäåëüíûì êóáèòàì, òàê êàê íà ïðàêòèêå
ñïèíû àòîìîâ â âåùåñòâå èìåþò ðàçíûå ÷àñòîòû ëàðìîðîâñêîé ïðåöåññèè, ê
òîìó æå äàííûå êóáèòû èìåþò áîëüøèå âðåìåíà êîãåðåíòíîñòè.
NV-öåíòðû â àëìàçàõ ÿâëÿþòñÿ äåôåêòàìè â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå àëìàçà, êîãäà îäèí àòîì óãëåðîäà çàìåùàåòñÿ àòîìîì àçîòà.  êà÷åñòâå çíà÷åíèé
êóáèòà çäåñü èñïîëüçóþòñÿ ñïèíû ýëåêòðîíîâ NV-öåíòðîâ, íà êîòîðûå ìîæíî
âëèÿòü ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé [101].
Êóáèòû, ðåàëèçîâàííûå íà èîíàõ â ëîâóøêå, èñïîëüçóþò âîçìîæíîñòü îãðàíè÷èòü â ïðîñòðàíñòâå ïîëîæåíèÿ çàðÿæåííûõ èîíîâ ñ ïîìîùüþ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Òàêèå êóáèòû êîäèðóþòñÿ ýëåêòðîííûìè ñîñòîÿíèÿìè èîíîâ, óïðàâëÿþòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ïîëÿìè è îáëàäàþò äëèííûìè âðåìåíàìè êîãåðåíòíîñòè è ñèëüíûìè âçàèìîäåéñòâèÿìè Êóëîíà ìåæäó ñîáîé, õîòÿ ó òàêèõ êóáèòîâ
èìåþòñÿ ïðîáëåìû ñ ìàñøòàáèðóåìîñòüþ [198].
Õîëîäíûå íåéòðàëüíûå àòîìû ôèêñèðóþòñÿ (òî åñòü îõëàæäàþòñÿ) â íåêîòîðûõ òî÷êàõ ïðîñòðàíñòâà (îáðàçóÿ òàêèì îáðàçîì íåêóþ öåïü èëè ðåøåòêó èç
àòîìîâ) ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé è êóáèòû êîäèðóþòñÿ â ñîñòîÿíèÿõ ñâåðõòîíêîé ñòðóêòóðû òàêèõ àòîìîâ [263]. Ãëàâíàÿ ïðîáëåìà ñ õîëîäíûìè
àòîìàìè èõ èäåíòè÷íîñòü. Âñå àòîìû ñ öåïî÷êå ðåàãèðóþò íà óïðàâëÿþùåå
ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå îäèíàêîâûì îáðàçîì è, ñëåäîâàòåëüíî, âñåãäà èìååòñÿ
âåðîÿòíîñòü íåæåëàòåëüíîãî âîçäåéñòâèÿ íà ñîñåäíèå êóáèòû. Ïîëîæèòåëüíîé
ñòîðîíîé ÿâëÿåòñÿ áîëüøîå âðåìÿ êîãåðåíòíîñòè êàæäîãî êóáèòà.
Ñâåðõïðîâîäÿùèå êóáèòû îñíîâàíû íà èñïîëüçîâàíèè ñâåðõïðîâîäíèêîâûõ
ñîåäèíåíèé Äæîçåôñîíà (äâà ñâåðõïðîâîäíèêà, ðàçäåëåííûõ èçîëÿòîðîì), êîòîðûå â êâàíòîâîì ïðåäåëå îáðàçóþò ïðîñòóþ ñâÿçàííóþ ñèñòåìó êóáèòîâ ñ
ýôôåêòèâíûì ñâÿçûâàíèåì óïðàâëÿåìûì òîêàìè ñìåùåíèÿ [168, 298]. Â òàêîé
ñèñòåìå êóáèòû êîäèðóþòñÿ íàïðàâëåíèåì òîêà â ñâåðõïðîâîäíèêîâîì êîíòóðå
àíàëîãè÷íî íàïðàâëåíèÿì ñïèíà: òîê ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå è ïðîòèâ ÷àñîâîé.
Ïîëóïðîâîäíèêîâûå êâàíòîâûå òî÷êè òàêæå îáëàäàþò âîçìîæíîñòüþ õðàíèòü êâàíòîâóþ èíôîðìàöèþ è ïðåîáðàçîâûâàòü åå äëÿ ðåàëèçàöèè ãåéòîâ [195,
249]. Êâàíòîâàÿ òî÷êà ñîñòîèò èç î÷åíü ìàëîé ïîëóïðîâîäíèêîâîé êîíñòðóê-
29
öèè, â êîòîðîé ìîæíî çàôèêñèðîâàòü îäèí ýëåêòðîí, ÷üå ñîñòîÿíèå èñïîëüçóåòñÿ êàê êóáèò. Ãëàâíîå ïðåèìóùåñòâî êâàíòîâûõ òî÷åê ïðè ïðèìåíåíèè â
îáëàñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé íàñòðàèâàåìîñòü èõ ôîðìû, ðàçìåðà è êîëè÷åñòâà ýëåêòðîíîâ âíóòðè, áëàãîäàðÿ ëåãêîñòè ðàáîòû ñ ïîëóïðîâîäíèêàìè. Ê
òîìó æå îíè îáëàäàþò áîëüøèìè âðåìåíàìè êîãåðåíòíîñòè, èõ ìîæíî ñâÿçàòü
ñ ýëåêòðîííûìè ãåéòàìè, ëàçåðàìè è ìàãíèòíûìè ïîëÿìè. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî
ãðàôåíîâûå òî÷êè óäîáíî èñïîëüçîâàòü â êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèÿõ, òàê êàê èçîòîïû
C íå îáëàäàþò ñïèíîì, ÷òî ìîæåò óâåëè÷èòü âðåìÿ êîãåðåíòíîñòè [27].
Èçâåñòíî [187], ÷òî åñëè êâàíòîâûé àëãîðèòì èñïîëüçóåò ìíîãî ñâÿçåé êóáèòîâ, òî ëó÷øå áóäåò èñïîëüçîâàòü ïîëíîñâÿçíóþ ñèñòåìó íà èîíàõ, òàê êàê íà
êâàíòîâîì êîìïüþòåðå ñ èîíàìè ïîëó÷àþòñÿ áîëåå âûñîêèå òî÷íîñòè ðåàëèçàöèè ãåéòîâ è áîëüøèå âðåìåíà êîãåðåíòíîñòè. Íà êîìïüþòåðå ñî ñâåðõïðîâîäíèêàìè, â ñâîþ î÷åðåäü, ïîëó÷àåòñÿ áîëåå âûñîêàÿ òàêòîâàÿ ÷àñòîòà. Êàæäàÿ
ðåàëèçàöèÿ êóáèòà ïîäõîäèò ëó÷øå âñåãî äëÿ êîíêðåòíîãî âèäà çàäà÷, íî âñå
îíè ïðèãîäíû äëÿ îðãàíèçàöèè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
1.1.8
12
Ðàáî÷èå ïðîòîòèïû êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ.
Ïåðâûé â ìèðå ðà-
áîòàþùèé ìàëîìàñøòàáíûé êâàíòîâûé êîìïüþòåð D-WAVE One íà ñòî äâàäöàòü âîñåìü êóáèòîâ áûë ïðåäñòàâëåí ôèðìîé D-Wave â 2011 ãîäó è îí èìååò
àðõèòåêòóðó íà îñíîâå ñâåðõïðîâîäíèêîâûõ òåõíîëîãèé ñîåäèíåíèé Äæîçåôñîíà. Êóáèòû ðàçäåëåíû íà øåñòíàäöàòü êëàñòåðîâ ïî âîñåìü êóáèòîâ [66]. Âñåãî â òàêîé ñèñòåìå íà ñòî äâàäöàòü âîñåìü êóáèòîâ ïðèõîäèòñÿ òðèñòà ïÿòüäåñÿò
äâà ñîåäèíåíèÿ ìåæäó íèìè, òî åñòü ýòî íå ïîëíîñâÿçíàÿ ñèñòåìà.
 2017 ãîäà êîìïàíèÿ IBM òàêæå ïðåäîñòàâèëà ñâîé ïÿòèêóáèòíûé ñâåðõïðîâîäíèêîâûé êâàíòîâûé êîìïüþòåð, êîòîðûé äîñòóïåí âñåì æåëàþùèì ÷åðåç
îáëà÷íûé ñåðâèñ [244].
Òðåòüåé îðãàíèçàöèåé, îáëàäàþùåé ðàáîòàþùèì íà äàííûé ìîìåíò êâàíòîâûì ïðîöåññîðîì è ðàçâèâàþùèì åãî, ÿâëÿåòñÿ Google, à òî÷íåå åå ëàáîðàòîðèÿ Google Quantum A.I., êîòîðàÿ çàíèìàåòñÿ èññëåäîâàíèÿìè ïðèìåíèìîñòè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèÿ äëÿ èñêóññòâåííîãî èíòåëëåêòà [243]. Èõ ïðîöåññîð
Bristlecone áûë ïðåäñòàâëåí â ìàðòå 2018 ãîäà. Ïðîöåññîð Bristlecone ñòðîèòñÿ
íà áàçå ïðåäûäóùèõ ðàçðàáîòîê ÷èïà íà äåâÿòü êóáèòîâ, êîòîðûé îáåñïå÷èâàë îøèáêó ñ÷èòûâàíèÿ êóáèòîâ îäèí ïðîöåíò, îøèáêó â îäíîêóáèòíûõ ãåéòàõ
íà óðîâíå îäíîé äåñÿòîé ïðîöåíòà è îøèáêó â äâóõêóáèòíûõ ãåéòàõ íà óðîâíå
30
øåñòè äåñÿòûõ ïðîöåíòà. Â íîâîì ïðîöåññîðå òàêèå ìàññèâû îáúåäèíÿþòñÿ, îáðàçóÿ ìàññèâ èç ñåìèäåñÿòè äâóõ êóáèòîâ, êîòîðûå ðàñïîëîæåíû â êâàäðàòíîé
ðåøåòêå è ñîåäèíåíû òîëüêî ñ áëèæàéøèìè ñîñåäÿìè.
Èíòåðåñíî, ÷òî êâàíòîâûé êîìïüþòåð D-Wave ðàçðàáîòàí äëÿ ðåøåíèÿ òîëüêî îäíîãî êîíêðåòíîãî êëàññà çàäà÷ çàäà÷ êâàäðàòè÷íîé íåîãðàíè÷åííîé áèíàðíîé îïòèìèçàöèè, è ýòîò êîìïüþòåð ðåàëèçóåò òàê íàçûâàåìóþ ìîäåëü
àäèàáàòè÷åñêèõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé êóáèòû ìåäëåííî ýâîëþöèîíèðóþò
òàê, ÷òîáû îñòàâàòüñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè, ÷òî îáëàäàåò îäíèì ãëàâíûì äîñòîèíñòâîì ðîáàñòíîñòüþ ê øóìàì [45].
Òàê, â êîìïüþòåðå D-Wave ðåøàåòñÿ òîëüêî çàäà÷à áèíàðíîé îïòèìèçàöèè
(
min E(x1 , . . . , xn ) = min c0 +
X
X
n
X
ci x i +
i=1
n
X
)
cij xi xj
,
(1.1)
i<j=1
êîòîðàÿ ôèçè÷åñêè ñâÿçàíà ñ íàõîæäåíèåì îñíîâíîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ
òàê íàçûâàåìîé öåïî÷êè ñïèíîâ Àéñèíãà, îïèñûâàåìîé ãàìèëüòîíèàíîì
HIsing =
n
X
hi σiz
n
X
+
i=1
Jij σiz σjz
1≤i<j
Äëÿ ïåðåâîäà òàêîé ñèñòåìû â îñíîâíîå ñîñòîÿíèå äîïîëíèòåëüíî ïðèìåíÿþò
òðàíñâåðñàëüíîå ìàãíèòíîå ïîëå ïî îñè Ox
Htrans = −
n
X
σkx
k=1
è ïîëíûé ãàìèëüòîíèàí ñèñòåìû òîãäà çàïèñûâàåòñÿ â âèäå
H(t) = (1 − s)Htrans + sHIsing ,
ãäå ïàðàìåòð s ìåíÿåòñÿ îò 0 äî 1 î÷åíü ìåäëåííî òàê, ÷òîáû îáùèé ãàìèëüòîíèàí H(t), èçíà÷àëüíî ïðè s = 0 íàõîäÿùèéñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè ãàìèëüòîíèàíà Htrans , ê êîíöó ýâîëþöèè îñòàëñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè ãàìèëüòîíèàíà
HIsing , êîòîðûì êîäèðóåòñÿ ðåøåíèå èçíà÷àëüíîé ïîëüçîâàòåëüñêîé ïðîáëåìû.
Àäèàáàòè÷åñêàÿ òåîðåìà ãàðàíòèðóåò [26], ÷òî åñëè ñêîðîñòü òàêîãî èçìåíåíèÿ
äîñòàòî÷íî ìàëà, òî ãàìèëüòîíèàí îñòàíåòñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè.
31
Èç-çà ôèçè÷åñêîé àðõèòåêòóðû ïðîöåññîðà D-Wave, èçíà÷àëüíàÿ ëîãè÷åñêàÿ
ïðîáëåìà äîëæíà áûòü ïðåîáðàçîâàíà â âèä
(1.1),
ïðèãîäíûé äëÿ âû÷èñëåíèé
íà äàííîì êîìïüþòåðå, îäíàêî, ýòà ïðîáëåìà âñòðàèâàíèÿ èçíà÷àëüíîé çàäà÷è
â ìîäåëü âû÷èñëåíèé D-Wave ñàìà ïî ñåáå NP-ñëîæíàÿ, òàêæå êàê è çàäà÷à
îïðåäåëåíèÿ âîçìîæíîñòè òàêîãî âñòðàèâàíèÿ. Âñå æå èìåþòñÿ íåêîòîðûå ïîäõîäû [317], ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ ìîæíî çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü îáùóþ ñëîæíîñòü
îïðåäåëåíèÿ âîçìîæíîñòè ðåøåíèÿ èçíà÷àëüíîé ëîãè÷åñêîé çàäà÷è íà êîìïüþòåðå D-Wave. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ îäíîé èç ñàìûõ ñîâðåìåííûõ âåðñèè
êîìïüþòåðà D-Wave 2X (2015 ãîä) ñ 1152 êóáèòàìè óñêîðåíèå ïî ñðàâíåíèþ ñ
êëàññè÷åñêèìè êîìïüþòåðàìè äëÿ íåêîòîðûõ çàäà÷ äîñòèãàåò òðåõ ïîðÿäêîâ.
 ÿíâàðå 2017 ãîäà áûë ïðîäàí ïåðâûé êâàíòîâûé êîìïüþòåð ñåðèè D-Wave
2000Q, ñîñòîÿùèé óæå èç 2000 êóáèòîâ [125]. Äàííûé êîìïüþòåð îêàçûâàåòñÿ
íàìíîãî áûñòðåå êëàññè÷åñêèõ ñåðâåðîâ äëÿ íåêîòîðûõ çàäà÷. Ïðîöåññîð îõëàæäàåòñÿ äî òåìïåðàòóðû 15 ìÊ (ýòî òåìïåðàòóðà ìåíüøå, ÷åì â ìåæçâåçäíîì
ïðîñòðàíñòâå), â òî âðåìÿ êàê äëÿ óñïåøíîãî ïðîâåäåíèÿ âû÷èñëåíèé òðåáóåòñÿ òåìïåðàòóðà ìåíüøå 90 ìÊ. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ÷åì ìåíüøå òåìïåðàòóðà,
òåì áîëüøå ñêîðîñòü âû÷èñëåíèé, òàê êàê ìåíüøå óñèëèé òðåáóåòñÿ äëÿ êîððåêöèè îøèáîê. Ðàçìåðû êîìïüþòåðà ïðèìåðíî ðàâíû 3x3x3 ìåòðà, îáùèé âåñ
îõëàæäàåìûõ ÷àñòåé ñîñòàâëÿåò 10 êã, à áîëüøóþ ÷àñòü îáúåìà êîìïüþòåðà
ñîñòàâëÿåò õîëîäèëüíèê íà æèäêîì àçîòå. Ñèãíàëû îò ïîëüçîâàòåëÿ ïåðåäàþòñÿ íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ (ìåíüøå 30 ÌÃö) ïî ïðîâîäàì, êîòîðûå ïåðåõîäÿò â
ñâåðõïðîâîäíèêè ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ, ê òîìó æå èìååòñÿ ôèëüòð íèçêèõ
÷àñòîò äëÿ óìåíüøåíèÿ îêðóæàþùåãî øóìà. Íà äàííûé ìîìåíò èç âíåøíåãî
ìèðà èäóò 192 ëèíèè ê ïðîöåññîðó, êîòîðûå ñèëüíî îõëàæäàþòñÿ è çàùèùåíû ôèëüòðàìè, òàêæå èñïîëüçóåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíîå ýêðàíèðîâàíèå, ïîýòîìó
òîëüêî ïîëÿ ìåíüøå 1 íÒ ïðîõîäÿò âíóòðü. Êðîìå ýòîãî, êîðïóñ êîìïüþòåðà
ñàì ïî ñåáå ýêðàíèðóåò ðàäèî÷àñòîòíûå ñèãíàëû.
Ó êîìïàíèè D-WAVE èìååòñÿ ïëàí ïî óäâîåíèþ êîëè÷åñòâà êóáèòîâ â èõ
êîìïüþòåðàõ êàæäûå äâà ãîäà. Îæèäàåòñÿ, ÷òî âìåñòå ñ óâåëè÷åíèåì êîëè÷åñòâà êóáèòîâ áóäåò óâåëè÷èâàòüñÿ è âû÷èñëèòåëüíàÿ ìîùíîñòü â ðàñ÷åòå íà
îäèí âàòò, è â èòîãå îæèäàåòñÿ, ÷òî ýíåðãîçàòðàòû áóäóùèõ êâàíòîâûõ êîìïüþòåðîâ ñòàíóò äàæå ìåíüøå, ÷åì ó êëàññè÷åñêèõ êîìïüþòåðîâ.
32
1.2
Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè
Ëþáàÿ çàäà÷à îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè íà÷èíàåòñÿ ñ âûáîðà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû è
âûáîðà ñõåìû óïðàâëåíèÿ. Äàëåå, äëÿ ðåøåíèÿ ìàòåìàòè÷åñêîé çàäà÷è îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ñ âûáðàííûìè ìîäåëüþ è ñõåìîé óïðàâëåíèÿ íåîáõîäèìî
ðåøåíèòü ñëåäóþùèå çàäà÷è, êîòîðûå áóäóò áîëåå ïîäðîáíî îïèñàíû íèæå.
1. Îïðåäåëåíèå ñòåïåíè óïðàâëÿåìîñòè êâàíòîâîé ñèñòåìû ïðè èìåþùèõñÿ
óïðàâëÿþùèõ ðåñóðñàõ.
2. Èíòåãðèðîâàíèå äèíàìèêè êâàíòîâîé ñèñòåìû ïðè çàäàííîì âèäå è çíà÷åíèÿõ óïðàâëåíèé.
3. Ïîñòðîåíèå ìàòðè÷íûõ ýêñïîíåíò, òðåáóþùèõñÿ äëÿ èíòåãðèðîâàíèÿ äèíàìèêè êâàíòîâîé ñèñòåìû.
4. Ïðîâåðêà óñëîâèé ïðèíöèïà ëàíäøàôòà äëÿ âûáîðà ìåòîäà îïòèìèçàöèè.
5. Âûáîð ìåòîäà ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ.
1.2.1
Ìîäåëè êâàíòîâûõ ñèñòåì.
 êâàíòîâîé òåîðèè óïðàâëåíèÿ èñïîëü-
çóåòñÿ áîëüøîå êîëè÷åñòâî ðàçëè÷íûõ ìîäåëåé äëÿ îïèñàíèÿ êâàíòîâûõ ñèñòåì,
êàæäàÿ èç êîòîðûõ òðåáóåò ñâîåãî ïîäõîäà ê ðåøåíèþ çàäà÷è óïðàâëåíèÿ.
Äëÿ íà÷àëà ñòîèò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî âñå êâàíòîâûå ñèñòåìû â äåéñòâèòåëüíîñòè ÿâëÿþòñÿ áåñêîíå÷íîìåðíûìè, íî äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ èõ äèíàìèêè ïî÷òè
âñåãäà ïðåäïî÷òèòåëüíåå èñïîëüçîâàòü êîíå÷íîìåðíûå ïðèáëèæåíèÿ, íàïðèìåð
ïðèáëèæåíèå Ãàëåðêèíà [31, 75], òàê êàê òåîðèÿ óïðàâëåíèÿ áåñêîíå÷íîìåðíûìè êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè íå òàê áîãàòà íà ðåçóëüòàòû. Òàêèì îáðàçîì, âñå
ìîäåëè ìîæíî ðàçäåëèòü íà áåñêîíå÷íîìåðíûå è êîíå÷íîìåðíûå. Äðóãèå ìåòîäû óìåíüøåíèÿ ðàçìåðíîñòè ñèñòåìû âêëþ÷àþò: àáñòðàãèðîâàíèå îò âûñøèõ
ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé ñèñòåìû èëè âûñîêî÷àñòîòíûõ êîëåáàíèé [59, 64, 179],
ïðÿìàÿ äèñêðåòèçàöèÿ âñåãî ïðîñòðàíñòâà íà ìíîãîìåðíîé ñåòêå è çàïèñü äèíàìè÷åñêèõ óðàâíåíèé íà ýòîé ñåòêå [76] (÷òî ïðèâîäèò ê ìàòðè÷íûì óðàâíåíèÿì
îãðîìíîé ðàçìåðíîñòè [59]) è ñïåêòðàëüíûé ìåòîä Ãàëåðêèíà×åáûøåâà äëÿ
äèñêðåòèçàöèè ïðîñòðàíñòâåííûõ ïðîèçâîäíûõ âîëíîâîé ôóíêöèè [189].
33
Äàëåå, êâàíòîâûå ñèñòåìû ìîæíî ðàçäåëèòü ïî çàìêíóòîñòè: çàìêíóòûå ñèñòåìû ðàññìàòðèâàþòñÿ ñàìè ïî ñåáå ëèáî â îòðûâå îò âñåõ îñòàëüíûõ îáúåêòîâ
è âçàèìîäåéñòâèé âî Âñåëåííîé, ëèáî ïîëíîñòüþ âêëþ÷àÿ èõ âñå (èõ äèíàìèêà èçâåñòíà òî÷íî), à îòêðûòûå êâàíòîâûå ñèñòåìû âñåãäà ðàññìàòðèâàþòñÿ
âìåñòå ñî ñâîèìè îêðóæàþùèìè îáúåêòàìè è âçàèìîäåéñòâèÿìè, äèíàìèêà êîòîðûõ ïðè ýòîì íå èçâåñòíà òî÷íî [810]. Êàê ìîæíî ëåãêî äîãàäàòüñÿ, ïðîùå
îïèñûâàòü äèíàìèêó çàìêíóòûõ ñèñòåì, ÷òî ìîæåò áûòü âûïîëíåíî ñ ïîìîùüþ
óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ı~U̇ (t) = H(t)U (t) [810], ãäå H ýðìèòîâûé îïåðàòîð
Ãàìèëüòîíà èç àëãåáðû Ëè L, U óíèòàðíûé îïåðàòîð ýâîëþöèè ñèñòåìû,
ïðèíàäëåæàùèé ãðóïïå Ëè G = exp(L). Îïèñàíèå îòêðûòûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì
íàìíîãî ñëîæíåå, òàê êàê îêðóæåíèå êâàíòîâîé ñèñòåìû íå èçâåñòíî ïîëíîñòüþ è äëÿ åãî îïèñàíèÿ ïðèõîäèòñÿ èñïîëüçîâàòü ðàçëè÷íûå ïðèáëèæåííûå
èëè óñðåäíåííûå ìîäåëè, íàïðèìåð, îòîáðàæåíèÿ Êðàóñà [225], îñíîâíûå óðàâíåíèÿ â ôîðìå Ëèíäáëàäà [231] è ñòîõàñòè÷åñêèå îñíîâíûå óðàâíåíèÿ [164].
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî â áîëüøèíñòâå íàó÷íûõ ðàáîò ðàññìàòðèâàþòñÿ òîëüêî
îêðóæåíèÿ òàê íàçûâàåìîãî ìàðêîâñêîãî òèïà [139,305,306,311], ãäå îòñóòñòâóþò ýôôåêòû çàïîìèíàíèÿ â îêðóæåíèè è îòñóòñòâóåò îáðàòíàÿ ñâÿçü îò îêðóæåíèÿ ê êâàíòîâîé ñèñòåìå. Íåìàðêîâñêèé òèï îêðóæåíèÿ îçíà÷àåò, ÷òî ïîòîê
èíôîðìàöèè âîçâðàùàåòñÿ â ñèñòåìó ÷åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ, òî åñòü ñîñòîÿíèå
ñèñòåìû çàâèñèò îò ïðîøëûõ ñâîèõ ñîñòîÿíèé [253, 255, 301, 315]. Äîïîëíèòåëüíàÿ ñëîæíîñòü âîçíèêàåò â ñëó÷àå, êîãäà èìååòñÿ áîëüøîå ÷èñëî êâàíòîâûõ
îáúåêòîâ è âûøåîïèñàííûå ìîäåëè ïðèâîäÿò ê ñèñòåìàì ãèãàíòñêèõ ðàçìåðíîñòåé.  ýòîì ñëó÷àå ëó÷øå ïðèìåíÿòü ìåòîä òåîðèè ôóíêöèîíàëà ïëîòíîñòè,
ïðèâîäÿùèé ê ñèñòåìàì ïðèåìëåìîé ðàçìåðíîñòè [92, 93, 153].
1.2.2
Ñõåìû óïðàâëåíèÿ.
Êðîìå ñïîñîáà êëàññèôèêàöèè êâàíòîâûõ ìîäå-
ëåé íà îñíîâå èõ ðàçìåðíîñòè è çàìêíóòîñòè, â çàäà÷àõ îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ ìîæíî ïðîâåñòè äîïîëíèòåëüíîå ðàçäåëåíèå ìîäåëåé ïî èñïîëüçóåìîìó òèïó êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ.  áîëüøèíñòâå íàó÷íûõ ðàáîò â îáëàñòè
êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ óïðàâëåíèå ñëåäóþùèõ òðåõ òèïîâ.
1. Óïðàâëåíèå â îòêðûòîì öèêëå.
Ñíà÷àëà òåîðåòè÷åñêè íà îñíîâå íåêîòîðîé ìîäåëè êâàíòîâîé ñèñòåìû íàõîäèòñÿ óïðàâëåíèå, êîòîðîå îáåñïå÷èò ñèñòåìå íåîáõîäèìóþ äèíàìèêó, à
çàòåì åãî ïðèìåíÿþò ê ðåàëüíîé êâàíòîâîé ñèñòåìå (ñì. ðèñóíîê 1.1).
34
Ðèñ. 1.1: Ñõåìà óïðàâëåíèÿ â îòêðûòîì öèêëå
 áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ â ïîäîáíûõ ýêñïåðèìåíòàõ ïðèìåíÿåòñÿ êîãåðåíòíîå ëàçåðíîå óïðàâëåíèå, êîòîðîå èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óïðàâëåíèÿ ìîëåêóëàìè è àòîìàìè [35] (óïðàâëåíèå äîëæíî áûòü óëüòðàáûñòðûì è ñèëüíûì),
ïðè÷åì ÷àùå èñïîëüçóþòñÿ èìïóëüñíûå ëàçåðû [201]; êðîìå ýòîãî àêòèâíî
èñïîëüçóþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèå è ìàãíèòíûå ïîëÿ. Òàêèå óïðàâëåíèÿ ÷àñòî
èñïîëüçóþò äëÿ çàäà÷ ïåðåâîäà êâàíòîâîé ñèñòåìû â îïðåäåëåííîå ñîñòîÿíèå, íàïðèìåð, êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå îäíîé ÷àñòèöû ñî ñïèíîì 1/2 ìîæíî
èçìåíÿòü ñ ïîìîùüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ [3].
Äðóãîé ïîïóëÿðíûé âèä óïðàâëåíèÿ â îòêðûòîì öèêëå óïðàâëåíèå
Ëÿïóíîâà, êîòîðîå ñëóæèò äëÿ ïåðåâîäà ñîñòîÿíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû â
íåêîòîðîå ïðåäåëüíîå ìíîæåñòâî è ïîñëåäóþùåãî ñîõðàíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ â
ýòîì ìíîæåñòâå [24,105107,182,277]. Â äàííîì ïîäõîäå óïðàâëÿþùèå ïîëÿ
âûáèðàþòñÿ òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ìèíèìèçèðîâàòü ñðåäíåå çíà÷åíèå íåêîòîðîé ôèçè÷åñêîé íàáëþäàåìîé, êîòîðàÿ îáû÷íî îáîçíà÷àåò ðàññòîÿíèå äî
ïðåäåëüíîãî ìíîæåñòâà [105, 106].
2. Óïðàâëåíèå â çàìêíóòîì öèêëå (èëè óïðàâëåíèå ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ).
 äàííîì ñëó÷àå (ñì. ðèñóíîê 1.2) èññëåäîâàíèå êâàíòîâîé ñèñòåìû íà÷èíàþò ñ ïðèìåíåíèÿ ïðîáíîãî óïðàâëåíèÿ ê ðåàëüíîé ñèñòåìå, çàòåì ïðîèçâîäÿò èçìåðåíèå êîíå÷íîãî ñîñòîÿíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû è èñõîäÿ èç ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèÿ èçìåíÿþò óïðàâëåíèå íåêîòîðûì àëãîðèòìîì (ãðàäèåíòíûì èëè íåãðàäèåíòíûì) òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïðè åãî ñëåäóþùåì ïðèìåíåíèè äîñòè÷ü æåëàåìîãî êîíå÷íîãî ñîñòîÿíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû èëè õîòÿ
35
áû ïðèáëèçèòüñÿ ê íåìó. Íàêîíåö, êâàíòîâóþ ñèñòåìó èíèöèàëèçèðóþò â
ïåðâîíà÷àëüíîì ñîñòîÿíèè è ïðèìåíÿþò ê íåé íîâîå óïðàâëåíèå, ïðè íåîáõîäèìîñòè ýòó ïðîöåäóðó ïîâòîðÿþò, ïîêà íå ïîëó÷àò íóæíóþ òî÷íîñòü.
Ðèñ. 1.2: Ñõåìà óïðàâëåíèÿ â çàìêíóòîì öèêëå
Ìîæíî âèäåòü, ÷òî óïðàâëåíèå â çàìêíóòîì öèêëå íîñèò èòåðàòèâíûé õàðàêòåð è îñíîâàíî íà ïîëó÷åíèè íà êàæäîì øàãå îáðàòíîé ñâÿçè îò ðåàëüíîé êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ ïîìîùüþ èçìåðåíèé [24, 111]. Òàêæå êàê è â
ñëó÷àå îòêðûòîãî öèêëà, çäåñü ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ ëàçåðíûå èìïóëüñû è
ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ.
3. Óïðàâëåíèå ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ â ðåàëüíîì âðåìåíè.
Îòëè÷èå äàííîãî òèïà óïðàâëåíèÿ îò ïðåäûäóùåãî çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî
â êà÷åñòâå èçìåðèòåëüíîãî ïðèáîðà èñïîëüçóåòñÿ íå êëàññè÷åñêîå óñòðîéñòâî, à âñïîìîãàòåëüíûé êâàíòîâûé êîíòðîëëåð, òî åñòü îòäåëüíàÿ êâàíòîâàÿ ñèñòåìà, êîòîðàÿ ïðîèçâîäèò íàáëþäåíèÿ íåïðåðûâíî [23, 164, 196,
215, 321, 327] (ñì. ðèñóíîê 1.3). Àíàëîãè÷íî óïðàâëåíèþ â çàìêíóòîì öèêëå
ïî ðåçóëüòàòàì èçìåðåíèÿ ïðîèçâîäèòñÿ èçìåíåíèå óïðàâëåíèÿ òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû äîñòè÷ü æåëàåìîãî êîíå÷íîãî ñîñòîÿíèÿ. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî
ïîñëå òàêîãî èçìåðåíèÿ êâàíòîâàÿ ñèñòåìà íå èíèöèàëèçèðóåòñÿ çàíîâî â
ïåðâîíà÷àëüíîì ñîñòîÿíèè, à ïðîäîëæàåò ñâîþ ýâîëþöèþ äàëüøå.
Ýòîò òèï óïðàâëåíèÿ ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü òàêèõ êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèé è çíà÷åíèé öåëåé óïðàâëåíèÿ, êîòîðûå íåäîñòóïíû ïðè èñïîëüçîâàíèè òîëüêî
êëàññè÷åñêèõ èçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ [324], íî ñ äðóãîé ñòîðîíû äàííûé
òèï óïðàâëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñàìûì òðóäíûì äëÿ ðåàëèçàöèè.
36
Ðèñ. 1.3: Ñõåìà óïðàâëåíèÿ ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ â ðåàëüíîì âðåìåíè
Êðîìå ýòèõ òèïîâ óïðàâëåíèé âîçìîæíî îáúåäèíåíèå ìåòîäîâ îòêðûòîãî è
çàìêíóòîãî öèêëîâ â ìåòîäû àäàïòèâíîãî ãèáðèäíîãî îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ (Ad-HOC) [127], ãäå ñíà÷àëà â îòêðûòîì öèêëå íà îñíîâå íåêîòîðîé ïðèáëèæåííîé ìîäåëè ðåàëüíîé êâàíòîâîé ñèñòåìû ÷èñëåííûì ãðàäèåíòíûì ìåòîäîì
íàõîäÿò ïî÷òè îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå, à çàòåì ýêñïåðèìåíòàëüíî îöåíèâàþò
åãî òî÷íîñòü è èçìåíÿþò åãî ñ ïîìîùüþ íåãðàäèåíòíîãî àëãîðèòìà â ðàìêàõ
àäàïòèâíîãî çàìêíóòîãî öèêëà. Òàêîé ïðîöåññ ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü öåëåé îïòèìèçàöèè áîëåå òî÷íî, ÷åì ïðè èñïîëüçîâàíèè òîëüêî îäíîãî òèïà óïðàâëåíèé.
Íåñìîòðÿ íà íàëè÷èå íåñêîëüêèõ òèïîâ óïðàâëåíèÿ, îáû÷íîå êîãåðåíòíîå
óïðàâëåíèå êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè (ñ ïîìîùüþ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ èëè ïîëåé)
â îòêðûòîì öèêëå ÿâëÿåòñÿ ñàìûì ïðîñòûì è äîñòóïíûì ñïîñîáîì óïðàâëåíèÿ
(èñòîðè÷åñêè ýòî áûë ïåðâûé ïðåäëîæåííûé ñïîñîá óïðàâëåíèÿ) è âî ìíîãèõ
çàäà÷àõ ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü ïîñòàâëåííîé öåëè îïòèìèçàöèè. Äëÿ äðóãèõ çàäà÷
âîçìîæíî ïðèìåíåíèå òàê íàçûâàåìûõ íåêîãåðåíòíûõ óïðàâëåíèé [231], íàïðèìåð, óïðàâëåíèå ñ ïîìîùüþ èçìåðåíèé [132,188,196,228,232,318,319,321], óïðàâëåíèå ñ ïîìîùüþ âñïîìîãàòåëüíûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì [23, 164, 196, 215, 321, 327]
è ñ ïîìîùüþ îêðóæåíèÿ [41, 51, 52, 54, 216, 281].
1.2.3
Óïðàâëÿåìîñòü êâàíòîâûõ ñèñòåì.
Ïåðåä òåì êàê íà÷àòü ïîñòðîå-
íèå îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé íåîáõîäèìî îòâåòèòü íà îäèí èç ãëàâíûõ âîïðîñîâ
â òåîðèè óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè âîçìîæíî ëè âûïîëíèòü íåîáõîäèìûé ïåðåõîä â êâàíòîâîé ñèñòåìå ñ ïîìîùüþ èìåþùèõñÿ â ðàñïîðÿæåíèè
ðåñóðñîâ, òî åñòü, óïðàâëÿåìà ëè ñèñòåìà?
37
Ìîæåò áûòü íåñêîëüêî òèïîâ óïðàâëÿåìîñòè çàìêíóòûìè êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè: óïðàâëÿåìîñòü â òåðìèíàõ ÷èñòûõ ñîñòîÿíèé, ýêâèâàëåíòíûõ ñîñòîÿíèé, îïåðàòîðîâ ýâîëþöèè è ìàòðèö ïëîòíîñòè, êîòîðûå â îáùåì ñëó÷àå íå
ýêâèâàëåíòíû äðóã äðóãó [16]: ïåðâûå äâà òèïà ýêâèâàëåíòíû ìåæäó ñîáîé è
ïîñëåäíèå äâà òèïà òàêæå ýêâèâàëåíòíû ìåæäó ñîáîé è èç íàëè÷èÿ óïðàâëÿåìîñòè òðåòüåãî è ÷åòâåðòîãî òèïà ñëåäóåò óïðàâëÿåìîñòü ïåðâîãî è âòîðîãî òèïà.
Äëÿ ñèñòåì ìàëîé ðàçìåðíîñòè èìååòñÿ êðèòåðèé ïîëíîé óïðàâëÿåìîñòè àíàëîãè÷íûé êëàññè÷åñêîìó óñëîâèþ Êàëìàíà êðèòåðèé àëãåáð Ëè [16, 108], ãäå
íåîáõîäèìî íàéòè ðàçìåðíîñòü äèíàìè÷åñêîé àëãåáðû Ëè êâàíòîâîé ñèñòåìû,
òî åñòü àëãåáðû, îáðàçîâàííîé ìàòðèöàìè ñèñòåìû ïðè âñåâîçìîæíûõ çíà÷åíèÿõ óïðàâëåíèé. Òàê äëÿ óïðàâëÿåìîé êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ áèëèíåéíûì ãàìèëüòîíèàíîì H = H0 +
PM
k=1 k Hk
ñ óïðàâëåíèÿìè k äèíàìè÷åñêàÿ àëãåáðà Ëè åñòü
íàèìåíüøåå ëèíåéíîå ïðîñòðàíñòâî L, îáðàçîâàííîå ìàòðèöàìè H0 , H1 ,...,HM è
èõ âñåâîçìîæíûìè êîììóòàòîðàìè ðàçíîãî ïîðÿäêà [Hi , [Hj , [· · · [Hp , Hq ] · · · ]],
L = Lie(H0 , H1 , . . . , HM ). Òîãäà äëÿ óïðàâëÿåìîñòè ìàòðèöàìè ýâîëþöèè (òî
åñòü âîçìîæíîñòè ðåàëèçîâàòü ëþáîé êâàíòîâûé ãåéò, ñì. ïðèëîæåíèå 1) íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû L = u(N ) èëè L = su(N ), ÷òî òîæå ñàìîå, ÷òî
óñëîâèå dim L = N 2 èëè dim L = N 2 − 1, ãäå dim H = N × N , u(N ) àëãåáðà
Ëè êîñîýðìèòîâûõ ìàòðèö ðàçìåðíîñòè N × N , su(N ) àëãåáðà Ëè êîñîýðìèòîâûõ ìàòðèö ðàçìåðíîñòè N × N ñ íóëåâûì ñëåäîì. Äëÿ ñèñòåì ñðåäíåé è
áîëüøîé ðàçìåðíîñòè èìååòñÿ áîëåå óäîáíûé êðèòåðèé, îñíîâàííûé íà òåîðèè
ãðàôîâ [82, 241], êîòîðûé êîíå÷íî æå ýêâèâàëåíòåí êðèòåðèþ àëãåáð Ëè.
Êðîìå ïîíÿòèÿ ïîëíîé óïðàâëÿåìîñòè çàìêíóòûìè ñèñòåìàìè èìååòñÿ ïîíÿòèå ëîêàëüíîé óïðàâëÿåìîñòè [223] óïðàâëÿåìà ëè ñèñòåìà ïðè óñëîâèè
ïðèìåíåíèÿ óïðàâëåíèÿ òîëüêî ê åå âûäåëåííîé ïîäñèñòåìå. Òàêæå ââîäèòñÿ
ïîíÿòèå íåïðÿìîé óïðàâëÿåìîñòè êâàíòîâîé ñèñòåìû S ÷åðåç äðóãóþ ñèñòåìó
[109], ãäå êâàíòîâàÿ ñèñòåìà S óïðàâëÿåòñÿ òîëüêî êîñâåííî ÷åðåç âçàèìîäåéñòâèå ñ ñèñòåìîé A, ê êîòîðîé ïðèëîæåíû óïðàâëåíèÿ [110, 111].
Äëÿ ñëó÷àÿ îòêðûòûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì èçâåñòíî íå òàê ìíîãî ðåçóëüòàòîâ
êàñàòåëüíî èõ óïðàâëÿåìîñòè, òàê êàê òàêèå ñèñòåìû îáëàäàþò êðàéíå ñëîæíîé
äèíàìèêîé [19,322]. Îäíàêî èçâåñòíî, ÷òî ïðè íàëè÷èè îêðóæåíèÿ íåìàðêîâñêîãî òèïà íåêîòîðûå íåóïðàâëÿåìûå ñèñòåìû ñòàíîâÿòñÿ óïðàâëÿåìûìè [255,255],
à ìíîæåñòâî äîñòèæèìîñòè 1 íåêîòîðûõ óïðàâëÿåìûõ ñèñòåì ðàñøèðÿåòñÿ [52].
1
Ìíîæåñòâî äîñòèæèìîñòè íàáîð ñîñòîÿíèé, äîñòèæèìûõ ïðè èìåþùèõñÿ óïðàâëÿþùèõ ðåñóðñàõ.
38
Ê ñîæàëåíèþ, â ñëó÷àå áåñêîíå÷íîìåðíûõ ñèñòåì íå èìååòñÿ îáùèõ ðåçóëüòàòîâ ïî óïðàâëÿåìîñòè, èìååòñÿ ëèøü áîëåå îãðàíè÷åííîå ïîíÿòèå ïðèáëèæåííîé óïðàâëÿåìîñòè óïðàâëÿåìîñòè òîëüêî ìåæäó ñîáñòâåííûìè ñîñòîÿíèÿìè
îïåðàòîðà Øðåäèíãåðà [75, 217].
1.2.4
Èíòåãðèðîâàíèå äèíàìèêè êâàíòîâûõ ñèñòåì.
Åñòåñòâåííûì îá-
ðàçîì ñ ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ
êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè íåðàçðûâíî ñâÿçàíû ìåòîäû èíòåãðèðîâàíèÿ äèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì äëÿ ïîëó÷åíèÿ èõ ïðèáëèæåííîé äèíàìèêè, â ÷àñòíîñòè èíòåãðèðîâàíèÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ı~U̇ = HU , çàïèñàííîãî äëÿ îïåðàòîðà ýâîëþöèè
U ∈ G, ãäå G ãðóïïà Ëè. Ñàìûìè ðàñïðîñòðàíåííûìè ìåòîäàìè èíòåãðèðîâàíèÿ ÿâëÿþòñÿ êîíå÷íî æå ìåòîäû ÐóíãåÊóòòû, îäíàêî òàê êàê êâàíòîâûå
ñèñòåìû ïî áîëüøåé ÷àñòè îïèñûâàþòñÿ ñëîæíûìè óðàâíåíèÿìè áîëüøîé ðàçìåðíîñòè çàäàííûìè íà ãðóïïàõ Ëè, à èíòåãðàòîðû ÐóíãåÊóòòû íå ñîõðàíÿþò
ãðóïïîâîå ñâîéñòâî, òî èíîãäà èñïîëüçóþò òàê íàçûâàåìûå ãåîìåòðè÷åñêèå èíòåãðàòîðû, êîòîðûå ñîõðàíÿþò íåêîòîðûå ôèçè÷åñêèå è ãåîìåòðè÷åñêèå ñâîéñòâà ôèçè÷åñêîãî ðåøåíèÿ, íàïðèìåð, ÷òîáû ðåøåíèå U âî âñå ìîìåíòû âðåìåíè
îñòàâàëîñü â ãðóïïå Ëè [81]. Êâàíòîâûå ñèñòåìû, îäíàêî, ìîæíî èíòåãðèðîâàòü
ñ ñîõðàíåíèåì ãðóïïîâîãî ñâîéñòâà è ìåòîäàìè ÐóíãåÊóòòû ïóòåì ïåðåõîäà
èç ãðóïïû Ëè G â àëãåáðó Ëè L 2 , êîòîðàÿ óæå ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíûì ïðîñòðàíñòâîì [130,207]. Êîíå÷íî âñåãäà ìîæíî èñïîëüçîâàòü è îáû÷íûå ìåòîäû Ðóíãå
Êóòòû åñëè ñîõðàíåíèå ãðóïïîâîãî ñâîéñòâà íå êðèòè÷íî.
Äëÿ íåêîòîðûõ ñèñòåì æåëàòåëüíî ñîõðàíèòü ñèìïëåêòè÷íîñòü ðåøåíèÿ, òî
åñòü, ÷òîáû îøèáêà â ýíåðãèè ñèñòåìû îñòàâàëàñü ïîñòîÿííîé. Ìåòîäû Ðóíãå
Êóòòû â îáùåì ñëó÷àå ïðèâîäÿò ê ðîñòó îøèáêè ñî âðåìåíåì [162], íî ìîæíî
ïîñòðîèòü èõ ñèìïëåêòè÷åñêèå âåðñèè íåáîëüøîé òî÷íîñòè [22].
Îäíèì èç ïîïóëÿðíûõ ìåòîäîâ (íàðÿäó ñ ìåòîäàìè ÐóíãåÊóòòû) ïîñòðîåíèÿ èíòåãðàòîðîâ (â ÷àñòíîñòè ñèìïëåêòè÷åñêèõ) äëÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ
ãàìèëüòîíèàíîì H = T + P â âèäå ñóììû êèíåòè÷åñêîé T è ïîòåíöèàëüíîé
P ýíåðãèé ÿâëÿåòñÿ ìåòîä ðàçëîæåíèÿ îïåðàòîðà U ýâîëþöèè ñèñòåìû íà êîìïîçèöèþ áîëåå ïðîñòûõ îïåðàòîðîâ òîëüêî îò T è òîëüêî îò P [56], êîòîðûå
ìîæíî ëåãêî âû÷èñëèòü, íàïðèìåð, â âèäå ôîðìóëû ïîðÿäêà r [133]:
2L
= Lie{H(t)}
àëãåáðà Ëè, îáðàçîâàííàÿ âñåìè çíà÷åíèÿìè H(t), G = exp(L) ãðóïïà Ëè.
39
U (τ ) = T exp −
ı
~
Zτ
H =
0
s
Y
T exp −
i=1
ı
~
Zai τ
T T exp −
0
ı
~
Zbi τ
P + O(τ r+1 ),
0
ãäå T exp óïîðÿäî÷åííàÿ âî âðåìåíè îïåðàòîðíàÿ ýêñïîíåíòà [1], à êîýôôèöèåíòû ðàçëîæåíèÿ ai , bi íàõîäÿòñÿ èç óñëîâèÿ îáíóëåíèÿ îøèáêè ïðèáëèæåíèÿ
äî ïîðÿäêà τ r âêëþ÷èòåëüíî ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàâåíñòâà ÁåéêåðàÊýìïáåëëà
Õàóñäîðôà [89]. Äàëåå ìàòðèöà ýâîëþöèè U ïîçâîëÿåò ïîñòðîèòü ëþáîå ðåøåíèå ψ(t) = U (t)ψ0 ïðè çàäàííîì íà÷àëüíîì ñîñòîÿíèè ñèñòåìû ψ0 .
Äðóãèå ìåòîäû ðàçëîæåíèÿ îñíîâàíû íà âûäåëåíèè â ìàòðèöå ñèñòåìû ÷ëåíîâ ðàçíûõ ïîðÿäêîâ, íàïðèìåð, H = D + B , ãäå D ðàçðÿæåííàÿ è ëåãêî
ýêñïîíåíöèèðóåìàÿ ìàòðèöà, B ïëîòíàÿ ìàòðèöà ìàëîé íîðìû [39]. Òàê
æå ìîæíî èñïîëüçîâàòü ðàçëîæåíèÿ íà òðè îïåðàòîðà [34] è ñòðîèòü îïåðàòîð
ýâîëþöèè â âèäå ïîëèíîìèàëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ [154]. Êðîìå ýòîãî, äëÿ óâåëè÷åíèÿ ïîðÿäêà ëþáîãî ïîäîáíîãî ìåòîäà èìååòñÿ òåõíèêà Éîøèäû, êîòîðàÿ
ñòðîèò ñèììåòðè÷íóþ ñõåìó ïîðÿäêà 2k + 2, êîìáèíèðóÿ ñõåìû ïîðÿäêà 2k [61].
Ó ìåòîäîâ ðàçáèåíèÿ èìåþòñÿ è íåäîñòàòêè: ìåòîäû ïîðÿäêà r > 2 îáÿçàòåëüíî
âêëþ÷àþò íåñêîëüêî îòðèöàòåëüíûõ êîýôôèöèåíòîâ ai , bi [133], ÷òî ìîæåò ïðèâåñòè ê ÷èñëåííûì íåñòàáèëüíîñòÿì ðåøåíèÿ â íåêîòîðûõ çàäà÷àõ [58]. Áëèçêèìè ê äàííûì ìåòîäàì ïî äóõó ÿâëÿþòñÿ òàêæå ìåòîäû êàíîíè÷åñêèõ êîîðäèíàò
ïåðâîãî [207] è âòîðîãî ðîäà [95].
Ïîäîáíûå ìåòîäû ðàçëîæåíèÿ ìîæíî ïðèìåíÿòü òàêæå è äëÿ èíòåãðèðîâàíèÿ íåàâòîíîìíûõ äèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì [269], ñèñòåì âòîðîãî ïîðÿäêà ïî
ïðîèçâîäíîé [50] è äàæå íåðàçäåëÿåìûõ ãàìèëüòîíîâûõ è íåãàìèëüòîíîâûõ ñèñòåì [235]. Êðîìå òîãî, ïîäîáíî èíòåãðàòîðàì ÐóíãåÊóòòû, ìåòîäû ðàçëîæåíèÿ ìîæíî ïðåîáðàçîâàòü â ñõåìû ñ äèíàìè÷åñêèì âûáîðîì øàãà èíòåãðèðîâàíèÿ çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ äâóõ ñõåì ðàçíîãî ïîðÿäêà [33].
Åùå îäèí øèðîêî èñïîëüçóåìûé ìåòîä äëÿ ïîñòðîåíèÿ ñèìïëåêòè÷åñêèõ
èíòåãðàòîðîâ, îñîáåííî â ñëó÷àå íåàâòîíîìíûõ ñèñòåì ñ ïîìîùüþ óñå÷åííîãî
ðàçëîæåíèÿ Ìàãíóñà [57,60,87,88,161], êîòîðîå ñòðîèò ðàçëîæåíèå ïî ñòåïåíÿì
îïåðàòîðíîé ýêñïîíåíòû [57, 161, 170]. Ñîãëàñíî ìåòîäó Ìàãíóñà [161] ðåøåíèå
óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà U̇ = −ıHU/~ íà èíòåðâàëå [0, t] ìîæíî ïðåäñòàâèòü â
âèäå U (t) = exp (Ω(t)), ãäå ìàòðèöà Ω(t) îïðåäåëÿåòñÿ êàê
40
Z t Zτ1
ı
1
ı
ı
Ω(t) = (− H(τ ))dτ −
(− H(τ2 ))dτ2 , (− H(τ1 )) dτ1 +
~
2
~
~
0
0
0
Z t Zτ1 Zτ2
1
ı
ı
ı
+
(− H(τ3 ))dτ3 , (− H(τ2 )) dτ2 , (− H(τ1 )) dτ1 +
4
~
~
~
0
0
0
τ
Z t Zτ1
Z1
1
(− ı H(τ2 ))dτ2 , (− ı H(τ2 ))dτ2 , (− ı H(τ1 )) dτ1 + . . .
+
12
~
~
~
Zt
0
0
0
Îñíîâíîå äîñòîèíñòâî ðàçëîæåíèå Ìàãíóñà, äàæå óêîðî÷åííîå, ñîõðàíÿåò
ãðóïïîâîå ñâîéñòâî, òî åñòü U (t) âî âñå ìîìåíòû âðåìåíè t ëåæèò â ãðóïïå Ëè
G. ×èñëåííîå èíòåãðèðîâàíèå ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàçëîæåíèÿ Ìàãíóñà âêëþ÷àåò
â ñåáÿ òðè øàãà [161]: 1) îòáðàñûâàíèå ÷ëåíîâ, íà÷èíàÿ ñ íåêîòîðîãî ïîðÿäêà,
2) ïðèáëèæåíèå èíòåãðàëîâ â êàæäîì îñòàâøåìñÿ ÷ëåíå íåêîòîðûìè ìåòîäàìè,
3) âû÷èñëåíèå ýêñïîíåíò îò ïîëó÷åííûõ âûðàæåíèé.
1.2.5
Ìåòîäû âû÷èñëåíèÿ îïåðàòîðíûõ ýêñïîíåíò.
Âî âñåõ ìåòîäàõ èí-
òåãðèðîâàíèÿ äèíàìèêè êâàíòîâîé ñèñòåìû òðåáóåòñÿ âû÷èñëÿòü îïåðàòîðíóþ
ýêñïîíåíòó îò ðàçëè÷íûõ îïåðàòîðîâ, â ÷àñòíîñòè îò îïåðàòîðà Ãàìèëüòîíà
H , äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàòðèöû ýâîëþöèè ñèñòåìû U . Ñóùåñòâóþò ìåòîäû ïðèáëèæåííîãî âû÷èñëåíèÿ ìàòðè÷íîé ýêñïîíåíòû íà îñíîâå ïîëèíîìîâ Òåéëîðà
è ×åáûøåâà [64, 325], ìåòîäîâ àïïðîêñèìàíòîâ Ïàäå [77] è, äëÿ ñëó÷àÿ âû÷èñëåíèÿ ïðîèçâåäåíèÿ exp(H)u0 ìàòðèöû íà âåêòîð ìåòîä ïîäïðîñòðàíñòâà
Êðûëîâà, îáðàçîâàííîãî âåêòîðàìè u0 , Hu0 , ..., H s u0 [64]. Ê òîìó æå ìîæíî
âûäåëèòü îáùèé êëàññ ìåòîäîâ, â êîòîðûõ èùåòñÿ íåêîòîðûé íàáîð ýëåìåíòîâ
àëãåáðû Ëè ñèñòåìû, áëàãîäàðÿ êîòîðûì ìàòðèöó U ýâîëþöèè ñèñòåìû ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ïðîèçâåäåíèÿ êîíå÷íîãî ÷èñëà ýêñïîíåíò îò ýëåìåíòîâ
äàííîãî íàáîðà: ìåòîäû æåñòêèõ ôðåéìîâ, ìåòîä êîîðäèíàò âòîðîãî ðîäà [95]
è ìåòîäû ïðåäñòàâëåíèÿ ìàòðè÷íîé ýêñïîíåíòû â âèäå ïðîèçâåäåíèÿ ýêñïîíåíò
îò ìàòðèö ìàëîãî ðàíãà [94]. Äëÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ñóùåñòâóåò îñîáåííî
ëåãêî âû÷èñëèìûé ìåòîä íà îñíîâå ìåòîäîâ ðàçäåëåíèÿ âåùåñòâåííîé è ìíèìîé
÷àñòåé âîëíîâîé ôóíêöèè ψ [55, 64].
41
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî øèðîêî èçâåñòíûé ìåòîä Ïàäå äëÿ âû÷èñëåíèÿ ýêñ-
Pm
ïîíåíòû ìàòðèöû A, exp(A) ≈ Rm/n (A) = Pm (A)/Qn (A) = (
k=1 ak A
k
)/
(1 + k=1 bk Ak ), â îáùåì ñëó÷àå íå ãàðàíòèðóåò ñîõðàíåíèÿ ãðóïïîâîé ñòðóêòóðû ïðîñòðàíñòâà ñîñòîÿíèé êâàíòîâîé ñèñòåìû [94]. Èìåííî äèàãîíàëüíûé
ìåòîä Ïàäå (m = n) â ñâÿçêå ñ ìåòîäàìè ìàñøòàáèðîâàíèÿ è âîçâåäåíèÿ â
êâàäðàò ðåàëèçîâàí â ôóíêöèè expm ñðåäû MATLAB, ÷òî òåîðåòè÷åñêè ìîæåò
ïðèâîäèòü ê ïðîáëåìàì â íåêîòîðûõ çàäà÷àõ [155], îäíàêî, íà ïðàêòèêå îí ÷àñòî
äàåò ïðèåìëåìóþ òî÷íîñòü ïîñòðîåíèÿ ìàòðè÷íîé ýêñïîíåíòû çà ïðèåìëåìîå
âðåìÿ è ïîýòîìó àêòèâíî ïðèìåíÿåòñÿ âî ìíîãèõ çàäà÷àõ [39].
Ìåòîä ìàñøòàáèðîâàíèÿ è âîçâåäåíèÿ â êâàäðàò [155] äëÿ âû÷èñëåíèÿ ýêñïîíåíòû exp(A) ñîñòîèò â óìíîæåíèè âñåé ìàòðèöû A íà ìàëûé ìíîæèòåëü
2−s , òàê ÷òîáû íîðìà ìàòðèöû ||2−s A|| ≈ 1 ñòàëà ïðèìåðíî ðàâíà åäèíèöå,
íàõîæäåíèè çàòåì ýêñïîíåíòû exp(2−s A) ≈ SN (A) ïðèáëèæåííûìè ìåòîäàìè Ïàäý èëè Òåéëîðà è âîçâåäåíèè s ðàç äàííîãî ïðèáëèæåíèÿ â êâàäðàò
(((SN (A))2 )... )2 ≈ exp(A), ÷òîáû âîññòàíîâèòü èñõîäíóþ ýêñïîíåíòó. Òàêîé ñïîñîá ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü äîñòàòî÷íî òî÷íóþ ìàòðè÷íóþ ýêñïîíåíòó, äàæå äëÿ
ìàòðèö áîëüøîé íîðìû, ãäå ïðÿìîå âû÷èñëåíèå äàåò áîëüøóþ ïîãðåøíîñòü.
Pn
1.2.6
Ìåòîäû ïîñòðîåíèÿ óïðàâëåíèé.
Ïîñëå ðåøåíèÿ âîïðîñà îá óïðàâ-
ëÿåìîñòè, âîçíèêàåò çàäà÷à ïîñòðîåíèÿ óïðàâëåíèé, êîòîðûå îáåñïå÷àò äîñòèæåíèå çàäàííîé öåëè óïðàâëåíèÿ. Èìååòñÿ ìíîæåñòâî ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ äëÿ
ðåøåíèÿ òàêîé çàäà÷è, êàê àíàëèòè÷åñêèõ òî÷íûõ, òàê è ÷èñëåííûõ ïðèáëèæåííûõ, îäíàêî êîëè÷åñòâî ÷èñëåííûõ ìåòîäîâ çàìåòíî ïðåâîñõîäèò êîëè÷åñòâî àíàëèòè÷åñêèõ ìåòîäîâ.
Àíàëèòè÷åñêèå ìåòîäû
Òàê äëÿ çàäà÷è ïåðåâîäà êâàíòîâîé ñèñòåìû â æåëàåìîå êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå
UD èìååòñÿ íåáîëüøàÿ ãðóïïà ãåîìåòðè÷åñêèõ ìåòîäîâ, êîòîðûå ïîçâîëÿþò â
àíàëèòè÷åñêîì âèäå íàéòè òàêèå óïðàâëåíèÿ áëàãîäàðÿ àíàëèçó ãåîìåòðè÷åñêîé ñòðóêòóðû àëãåáðû Ëè L ïðîñòðàíñòâà óïðàâëåíèé [108]. Íàïðèìåð, äëÿ
ñèñòåìû íà êîìïàêòíîé ãðóïïå Ëè G ìîæíî ïîñòðîèòü áàçèñ ãðóïïû Ëè G òàê,
÷òî æåëàåìûé ýëåìåíò ãðóïïû UD ∈ G ðàñêëàäûâàåòñÿ â ïðîèçâåäåíèå ýêñïîíåíò îò áàçèñíûõ ýëåìåíòîâ è ìîæíî â òî÷íîì âèäå âû÷èñëèòü òðåáóåìîå
óïðàâëåíèå [112]. Èíîãäà, èçó÷åíèå óïðàâëåíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìîé ñâîäèòñÿ ê
42
çàäà÷àì óïðàâëåíèÿ áîëåå ïðîñòûìè ñèñòåìàìè, äëÿ êîòîðûõ ìîæíî ïîñòðîèòü
àíàëèòè÷åñêèå óïðàâëåíèÿ [331]. Íàïðèìåð, îäíèì èç ïðîñòåéøèõ ïðèìåðîâ ñèñòåìû, äëÿ êîòîðîé ãåîìåòðè÷åñêèå ìåòîäû äàþò òî÷íîå ðåøåíèå ÿâëÿåòñÿ îäíà
÷àñòèöà ñ íåíóëåâûì ñïèíîì, óïðàâëÿåìàÿ ìàãíèòíûì ïîëåì [174].
Äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïîëó÷èë àíàëèòè÷åñêèé ïðèíöèï ìàêñèìóìà Ïîíòðÿãèíà (íåîáõîäèìîå óñëîâèå îïòèìàëüíîñòè) [68, 71, 72]. Ñ ïîìîùüþ äàííîãî ïðèíöèïà ìîæíî ïîëó÷àòü îïòèìàëüíûå
óïðàâëåíèÿ â àíàëèòè÷åñêîì âèäå â ðàçëè÷íûõ çàäà÷àõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé,
íî òîëüêî äëÿ ñèñòåì ìàëûõ ðàçìåðíîñòåé, íàïðèìåð äëÿ ðåàëèçàöèè ãåéòîâ íà
îäíîì èëè äâóõ êóáèòàõ [259,282]. Òàê äëÿ ñëó÷àÿ áèëèíåéíîé êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ ãàìèëüòîíèàíîì H = H0 +
óïðàâëåíèÿ J =
PM
k=1 k (t)Hk
R T PM
0
k,j=1 gkj k (t)j (t)dt,
â çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ýíåðãèè
ïðèíöèï ìàêñèìóìà ñîñòîèò â ïîèñêå
óïðàâëåíèé, ìèíèìèçèðóþùèõ òàê íàçûâàåìûé ïñåâäî-ãàìèëüòîíèàí
*
H̃ =
Ψ(t), H0 +
M
X
k=1
!
k (t)Hk
+
U (t)
M
1 X
+ ψ0
gkj k (t)j (t),
2
k,j=1
ãäå ìàòðèöà Ψ è ìíîæèòåëü ψ0 ñóòü ìíîæèòåëè Ëàãðàíæà, U ìàòðèöà ýâîëþöèè ñèñòåìû, îïåðàöèÿ hA, Bi = Tr(A∗ B) ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå.
Êðîìå çàäà÷ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî ïðèìåíåíèé ïðèíöèïà ìàêñèìóìà Ïîíòðÿãèíà äëÿ äðóãèõ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè, íàïðèìåð, äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìèíèìàëüíûõ ïî âðåìåíè òðàåêòîðèé áåç ó÷åòà ïðèñóòñòâèÿ îêðóæåíèÿ [20, 21, 285, 288, 290, 293, 294] è ñ ó÷åòîì
îêðóæåíèÿ [68,69], äëÿ ïîñòðîåíèÿ ïî÷òè àäèàáàòè÷åñêèõ òðàåêòîðèé [287], äëÿ
ïîñòðîåíèÿ ìèíèìàëüíûõ ïî ýíåðãèè òðàåêòîðèé [99, 286], äëÿ ãåíåðàöèè çàïóòàííîñòè [292], äëÿ óâåëè÷åíèÿ êîíòðàñòíîñòè â îáëàñòè ðåíòãåíîãðàôèè [70,73]
è äëÿ ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ èãð [139]. Äëÿ íåêîòîðûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì èíîãäà áûâàåò óäîáíåå èñïîëüçîâàòü äèñêðåòíûå ìîäåëè êâàíòîâîé ñèñòåìû, äëÿ
êîòîðûõ èìååòñÿ äèñêðåòíûé ïðèíöèï ìàêñèìóìà Ïîíòðÿãèíà íà ìàòðè÷íûõ
ãðóïïàõ Ëè â ðàìêàõ äèñêðåòíîé ìåõàíèêè [65, 234].
Äðóãèå àíàëèòè÷åñêèå ìåòîäû ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé îñíîâàíû íà àíàëèçå äèíàìè÷åñêîé ãðóïïû Ëè G êâàíòîâîé ñèñòåìû è èñïîëüçîâàíèè ðàçëè÷íûõ ðàçëîæåíèé, íàïðèìåð Êàðòàíà è Ëåâè, îäíàêî, êàê è â ñëó÷àå
ïðèíöèïà ìàêñèìóìà, äàííûå ìåòîäû ïðèìåíèìû òîëüêî ê ñèñòåìàì ìàëîé
ðàçìåðíîñòè [15, 46, 273].
43
Êðîìå àíàëèòè÷åñêèõ ìåòîäîâ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé ñóùåñòâóåò îãðîìíîå ÷èñëî ïðèáëèæåííûõ ÷èñëåííûõ ìåòîäîâ, êàê ãðàäèåíòíûõ,
òàê è íåãðàäèåíòíûõ, êàê ëîêàëüíûõ, òàê è ãëîáàëüíûõ. ×èñëåííûå àëãîðèòìû îáëàäàþò íåñîìíåííûì ïðåèìóùåñòâîì ïåðåä àíàëèòè÷åñêèìè ìåòîäàìè
èõ ìîæíî ïðèìåíÿòü äëÿ êâàíòîâûõ ñèñòåì ëþáîé ðàçìåðíîñòè, â îòëè÷èå îò
àíàëèòè÷åñêèõ, êîòîðûå ïðèìåíèìû òîëüêî äëÿ ñèñòåì î÷åíü ìàëîé ðàçìåðíîñòè. Äåëî â òîì, ÷òî ïðè äèñêðåòèçàöèè êâàíòîâîé ñèñòåìû, îïèñûâàþùåé
äàæå íåáîëüøóþ ìîëåêóëó ñ 67 ñòåïåíÿìè ñâîáîäû, îáû÷íî ïîëó÷àþò ìàòðè÷íóþ ñèñòåìó ðàçìåðíîñòè 104 106 [181] è àíàëèòè÷åñêèå ìåòîäû Ïîíòðÿãèíà è
óñëîâèÿ îïòèìàëüíîñòè äëÿ òàêèõ ñèñòåì íåïðèìåíèìû â âèäó îãðîìíîé ðàçìåðíîñòè. Ïîýòîìó îñíîâíûå ðåçóëüòàòû â îáëàñòè êâàíòîâîãî îïòèìàëüíîãî
óïðàâëåíèÿ ïîëó÷åíû èìåííî ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè.
×èñëåííûå îïòèìèçàöèîííûå àëãîðèòìû ïî ñâîåé ïðèðîäå ÿâëÿþòñÿ ïðèáëèæåííûìè è èòåðàöèîííûìè â òîì ñìûñëå, ÷òî çàäà÷à òî÷íîãî äîñòèæåíèÿ
æåëàåìîãî ñîñòîÿíèÿ çàìåíÿåòñÿ çàäà÷åé ìèíèìèçàöèè îøèáêè â ðåàëèçàöèè
òàêîãî ñîñòîÿíèÿ (ïðè÷åì íà ïðàêòèêå ýòîò ìèíèìóì ìîæåò áûòü ìàëûì, íî íå
íóëåâûì), âûðàæåííîé çíà÷åíèåì íåêîòîðîãî ôóíêöèîíàëà J[] êà÷åñòâà óïðàâëåíèÿ , è âåñü ïðîöåññ îïòèìèçàöèè äåëèòñÿ íà èòåðàöèè, ãäå íà êàæäîé èòåðàöèè íîâûå óïðàâëåíèÿ óëó÷øàþòñÿ íà îñíîâå óïðàâëåíèé, ïîëó÷åííûõ íà
ïðåäûäóùåé èòåðàöèè, è â èäåàëå óìåíüøàþò çíà÷åíèå J .
×èñëåííûå ãðàäèåíòíûå àëãîðèòìû
Ëîêàëüíûå ãðàäèåíòíûå îïòèìèçàöèîííûå ìåòîäû îñíîâàíû íà ïîñëåäîâàòåëüíîì èçìåíåíèè óïðàâëåíèÿ òàêèì ñïîñîáîì, ÷òîáû êàæäîå íîâîå óïðàâëåíèå äàâàëî çíà÷åíèå J[] êðèòåðèÿ êà÷åñòâà óïðàâëåíèÿ íå õóæå, ÷åì ïðåäûäóùåå óïðàâëåíèå, ïðè÷åì ïî÷òè âñåãäà äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò ïåðâûå è âòîðûå
ïðîèçâîäíûå ∂J/∂, ∂ 2 J/∂2 îò ôóíêöèîíàëà J[] îòíîñèòåëüíî óïðàâëåíèé ,
íî â ïðèíöèïå âîçìîæíû è ìåòîäû áîëåå âûñîêèõ ïîðÿäêîâ. Èç-çà èñïîëüçîâàíèÿ òîëüêî ëîêàëüíîé èíôîðìàöèè î ïîâåäåíèè ôóíêöèîíàëà J â âèäå åãî
ïðîèçâîäíûõ, ëîêàëüíûå ãðàäèåíòíûå àëãîðèòìû èìåþò ñâîéñòâî îñòàíàâëèâàòü ïîèñê îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ â òî÷êàõ ëîêàëüíîãî îïòèìóìà ôóíêöèîíàëà
êà÷åñòâà J , íå èìåÿ âîçìîæíîñòè èõ ïðåîäîëåòü è äâèãàòüñÿ äàëåå â ñòîðîíó
òî÷åê ãëîáàëüíîãî îïòèìóìà J , êîòîðûå è ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé èñòèííóþ öåëü
çàäà÷è îïòèìèçàöèè.
44
Ñëåäóþùèå ÷èñëåííûå àëãîðèòìû èñïîëüçóþòñÿ ÷àùå âñåãî.
1. Ìåòîä Ëàãðàíæà
 îáùåì ñëó÷àå ïî÷òè âñå ÷èñëåííûå ãðàäèåíòíûå îïòèìèçàöèîííûå àëãîðèòìû â îáëàñòè êâàíòîâîãî îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ âûâîäÿòñÿ èç âàðèàöèîííîãî ïðèíöèïà Ëàãðàíæà [92, 200], ãäå â ôóíêöèîíàë Ëàãðàíæà
âêëþ÷àþòñÿ âñå íåîáõîäèìûå öåëè óïðàâëåíèÿ è ÷ëåí, îáåñïå÷èâàþùèé
âûïîëíåíèå äèíàìè÷åñêèõ óðàâíåíèé (íàïðèìåð, Øðåäèíãåðà). Òîëüêî â
èñêëþ÷èòåëüíî ðåäêèõ ñëó÷àÿõ óäàåòñÿ ðåøèòü ïîëó÷àåìûå óðàâíåíèÿ â
àíàëèòè÷åñêîì âèäå [30]. Ïðèìå÷àòåëüíî, ÷òî èìååòñÿ ìíåíèå [208] î òîì,
÷òî ðåàëüíûå îïåðàòîðû Ãàìèëüòîíà íèêîãäà íå èçâåñòíû òî÷íî è, ïîýòîìó, ìåòîä ìíîæèòåëåé Ëàãðàíæà íåïðèåìëåì â ïðèíöèïå, ÷òî, îäíàêî, íå ìåøàåò êðàéíå óäà÷íî ïðèìåíÿòü äàííûé ìåòîä âî ìíîãèõ çàäà÷àõ [146, 173, 176, 195].
Äëÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ψ̇(t) = −ıH[, t]ψ(t)/~, ψ(t0 ) = ψ0 è ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà óïðàâëåíèÿ è çàòðàò
F [ψ, ] = J1i [ψ] + J1f [ψ(T )] + J2 [],
f
ãäå J1i îáîçíà÷àåò îãðàíè÷åíèÿ íà òðàåêòîðèþ íà âñåì èíòåðâàëå [0, T ], J1
îãðàíè÷åíèÿ íà ñîñòîÿíèå â êîíå÷íûé ìîìåíò T , J2 îãðàíè÷åíèÿ íà
óïðàâëåíèÿ, ïðè òðåáîâàíèè óäîâëåòâîðåíèÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà çàïèñûâàþò íîâûé ôóíêöèîíàë Ëàãðàíæà c íåèçâåñòíûìè ìíîæèòåëÿìè λ(t)
ZT
J[ψ, λ, ] = F [ψ, ] − 2 Re
0
ı
dthλ(t)|ψ̇(t) + H[, t]ψ(t)i.
~
Òîãäà óðàâíåíèÿ êâàíòîâîé òåîðèè îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ïîëó÷àþòñÿ
èç óñëîâèé îáíóëåíèÿ ôóíêöèîíàëüíûõ ïðîèçâîäíûõ δJ/δλ∗
= 0 è
δJ/δψ ∗ = 0. Èç óñëîâèÿ δJ/δλ∗ = 0 ïîëó÷àåòñÿ óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà,
à èç óñëîâèÿ δJ/δψ ∗ = 0 ïîëó÷àþòñÿ óðàâíåíèÿ íà ìíîæèòåëè λ(t):
ı
J1i
λ̇(t) = − H[, t]λ(t) +
,
~
∂ψ ∗ (t)
J1f
λ(T ) =
.
∂ψ ∗ (T )
45
Òàêèì îáðàçîì, ýòó ñèñòåìó äëÿ λ(t) ðåøàþò îáðàòíî âî âðåìåíè îò T äî
0, à óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà äëÿ ψ(t) âïåðåä âî âðåìåíè îò 0 äî T .
Òîãäà óñëîâèå îáíóëåíèÿ ïîëíîé ïðîèçâîäíîé ïî óïðàâëåíèÿì îò ôóíêöèîíàëà J[ψ[], λ[], ] â âèäó îáíóëåíèÿ ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ δJ/δλ∗ , δJ/δψ ∗
ïðèìåò âèä
dJ[ψ[], λ[], ] dJ2 [] 2
0=
=
+ Im
d
d
~
ZT
dthλ[](t)|
dH[, t]
|ψ[](t)i.
d
0
Äëÿ áèëèíåéíîãî ãàìèëüòîíèàíà H = H0 + (t)H1 ïðåäûäóùåå óðàâíåíèå
ïðèìåò âèä
2
∂J2
+ Imhλ[](t)|H1 |ψ[](t)i = 0,
∂(t) ~
÷òî äàåò êðèòåðèé îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â âèäå ðàâåíñòâà
∂J2
2
= − Imhλ[](t)|H1 |ψ[](t)i.
∂(t)
~
Äëÿ ïîëó÷åíèÿ êîíêðåòíîé ñõåìû ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ
òðåáóåòñÿ ïîñòàâèòü êîíêðåòíóþ çàäà÷ó óïðàâëåíèÿ. Òàê, äëÿ çàäà÷è ðåàëèçàöèè ê ìîìåíòó âðåìåíè T æåëàåìîãî êâàíòîâîãî ãåéòà UD ïðè ìèíèìèçàöèè ýíåðãèè íà óïðàâëåíèÿ ïîëó÷èì
J1i = 0,
1
J1f = ||U (T ) − UD ||2F ,
2
ZT
J2 =
2 (t)dt,
0
p
Tr(A∗ A) íîðìà
Ôðîáåíèóñà. Òîãäà óðàâíåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, çàïèñàííûå äëÿ
îïåðàòîðà U (ïðè ââåäåíèè îïåðàòîðà Λ(t)λ(T ) = λ(t), λ(T ) = −UD ψ0 )
ïðèìóò âèä
ı
U̇ (t) = − H[, t]U (t), U (0) = I,
~
ı
Λ̇(t) = − H[, t]Λ(t), Λ(T ) = I,
~
à óñëîâèå îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ïðèìåò âèä
ãäå U (t)ψ(0) = ψ(t) îïåðàòîð ýâîëþöèè, ||A||F =
(t) =
α
Im Tr (UD∗ Λ∗ [](t)H1 U [](t)) .
~
46
2. Ìåòîä GRAPE
Îäèí èç ñàìûõ èçâåñòíûõ è ïîïóëÿðíûõ ãðàäèåíòíûõ àëãîðèòìîâ, ïîëó÷åííûõ íåïîñðåäñòâåííî èç ïðèíöèïà Ëàãðàíæà GRAPE [53, 173]. Àëãîðèòì
GRAPE èñïîëüçóåò èíôîðìàöèþ î ïåðâûõ ïðîèçâîäíûõ îïòèìèçèðóåìîãî
ôóíêöèîíàëà J[] è èñïîëüçóåò ðàçáèåíèå èíòåðâàëà âðåìåíè [0, T ], îòâåäåííîãî íà ïðîöåññ óïðàâëåíèÿ, íà íåñêîëüêî ìàëûõ ÷àñòåé [tj−1 , tj ] äëèíû
∆t, íà êàæäîé èç êîòîðûõ çàêîí óïðàâëåíèÿ ìîæíî ñ÷èòàòü ïîñòîÿííûì
(t) = j è, òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ëåãêî âû÷èñëèòü îïåðàòîð ýâîëþöèè ñèñòåìû U (t). Èíôîðìàöèÿ î ïðîèçâîäíûõ ∂J/∂j ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J
èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçìåíåíèÿ ôóíêöèé óïðàâëåíèÿ j ïî íàïðàâëåíèþ íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà (ïðè ïîèñêå ìèíèìóìà) ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J . Èìååòñÿ òàêæå ïðåäëîæåíèå èñïîëüçîâàòü ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå äëÿ óòî÷íåíèÿ ïðîèçâîäíîé îò ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà (ìåòîä d-GRAPE) [326].
Ìåòîä GRAPE äëÿ çàäà÷è ðåàëèçàöèè êâàíòîâîãî ãåéòà UD ê ìîìåíòó T
íà÷èíàåòñÿ ñ çàïèñè óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà äëÿ ìàòðèöû ýâîëþöèè U
ı
d
U (t) = −
dt
~
H0 +
M
X
!
k (t)Hk
U,
U (0) = I.
k=1
Ïîñëå äèñêðåòèçàöèè èíòåðâàëà âðåìåíè [0, T ] íà L îòðåçêîâ [tj−1 , tj ],
j = 1, . . . , L ìàòðèöà ýâîëþöèè U â êîíå÷íûé ìîìåíò âðåìåíè T áóäåò
âû÷èñëÿòüñÿ ÷åðåç ïðîèçâåäåíèå
U (T ) = UL · · · U1 ,
ãäå îïåðàòîðû ýâîëþöèè âû÷èñëÿþòñÿ ÷åðåç ìàòðè÷íóþ ýêñïîíåíòó
M
X
ı
Uj = exp − ∆t H0 +
k (tj )Hk
~
!!
k=1
áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî íà èíòåðâàëå [tj−1 , tj ] ãàìèëüòîíèàí H ïîñòîÿíåí.
Äëÿ öåëè óïðàâëåíèÿ â âèäå ìèíèìèçàöèè îøèáêè ðåàëèçàöèè ãåéòà UD ,
ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà çàïèñûâàåòñÿ ÷åðåç íîðìó Ôðîáåíèóñà
J=
1
1
1
||U (T ) − UD ||2F = −
Re Tr(UD∗ U (T )).
4N
2 2N
47
Òîãäà àëãîðèòì GRAPE ñîñòîèò èç ñëåäóþùèõ øàãîâ.
(a) Âûáèðàþòñÿ íà÷àëüíûå óïðàâëåíèÿ k (tj ), k = 1, . . . , M , j = 1, . . . , L.
(b) Íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå U (0) = I ðàñïðîñòðàíÿþò âïåðåä âî âðåìåíè
U (tj ) = Uj · · · U1 , j = 1, . . . , L.
(c) Öåëü óïðàâëåíèÿ ΛN = UD ðàñïðîñòðàíÿþò îáðàòíî âî âðåìåíè ñ ïîìî∗
ùüþ ñîïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ Λj = Uj+1
· · · UL∗ UD , j = L, . . . , 1.
(d) Âû÷èñëÿþò ïðîèçâîäíûå ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J :
∂J
1
=−
Im Tr(Λ∗j Hk U (tj )).
∂k (tj )
2N ~
, j = 1, . . . , L,
(e) Îáíîâëÿþò âñå óïðàâëåíèÿ k (tj ) → k (tj ) − α ∂∂J
k (tj )
k = 1, . . . , M .
(f) Åñëè óñëîâèå ñõîäèìîñòè íå âûïîëíÿåòñÿ, òî ïåðåõîäÿò ê øàãó (b), èíà÷å
ïðîöåññ îñòàíàâëèâàþò.
×èñëåííûé àëãîðèòì GRAPE øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ çàäà÷ êâàíòîâûõ
âû÷èñëåíèé, ïðîâîäèìûõ íà îñíîâå øèðîêîãî êðóãà ôèçè÷åñêèõ ñèñòåì [96,
149, 173, 175]. Òàê, ïîëó÷àåòñÿ ðåàëèçîâàòü ðàçëè÷íûå êâàíòîâûå ãåéòû â
ïðèñóòñòâèè îêðóæåíèÿ è áåç íåãî ñ áîëüøîé òî÷íîñòüþ [126, 146, 176, 186,
195,253,268], èññëåäîâàòü êâàíòîâûé ïðåäåë ñêîðîñòè [177], óïðàâëÿòü íåêîãåðåíòíûìè ïðîöåññàìè [128] è ïîäàâëÿòü ðàçðóøåíèå ñîñòîÿíèÿ êóáèòà [118].
3. Ìåòîä Êðîòîâà
Äðóãîé èçâåñòíûé àëãîðèòì ïðèíàäëåæèò Êðîòîâó [181, 314]. Àëãîðèòì
Êðîòîâà âî ìíîãîì ïîâòîðÿåò øàãè ìåòîäà GRAPE è èñïîëüçóåò èíôîðìàöèþ òîëüêî î ïåðâûõ ïðîèçâîäíûõ ∂J/∂, íî, â îòëè÷èå îò GRAPE,
îáíîâëÿåò óïðàâëÿþùèå èìïóëüñû íà êàæäîé èòåðàöèè òîëüêî íà îäíîì
ìàëîì èíòåðâàëå âðåìåíè [tj−1 , tj ], ò. å. óïðàâëåíèå èçìåíÿåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî. Ê òîìó æå â ýòîì àëãîðèòìå ãàðàíòèðóåòñÿ ìîíîòîííàÿ ñõîäèìîñòü
ê ìèíèìóìó ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J .
 îòëè÷èå îò ìåòîäà GRAPE, ìåòîä Êðîòîâà ïðåäïîëàãàåò [266] äîáàâëåíèå
â ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà J äîïîëíèòåëüíîãî ÷ëåíà
RT
||(t)||2 , îãðàíè÷èâàþùåãî ýíåðãèþ óïðàâëåíèÿ, è èñïîëüçîâàíèå óïðàâëåíèé k (tj ) ñ ïðåäûäóùå0
48
ãî øàãà àëãîðèòìà îïòèìèçàöèè äëÿ âû÷èñëåíèÿ ñîïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ
Λj è óïðàâëåíèé òåêóùåãî øàãà àëãîðèòìà îïòèìèçàöèè äëÿ âû÷èñëåíèÿ
ìàòðèöû ýâîëþöèè U (tj ), ÷òîáû çàòåì ïîñòðîèòü óïðàâëåíèÿ ñëåäóþùåãî
øàãà ïðîöåññà îïòèìèçàöèè [219].
Àíàëîãè÷íî GRAPE, àëãîðèòì Êðîòîâà øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ â çàäà÷àõ
êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé. Íàïðèìåð, äëÿ íàõîæäåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî ðåàëèçóåìîãî ìíîæåñòâà ïàðàìåòðîâ ñâåðõïðîâîäÿùåãî êóáèòà äëÿ ðåàëèçàöèè óíèâåðñàëüíîãî íàáîðà ãåéòîâ [143], èëè äëÿ ñîçäàíèÿ ìàêñèìàëüíî
çàïóòàííîãî ñîñòîÿíèÿ â ñèñòåìå ñîñòîÿùåé èç àíèçîòðîïíîé öåïè ñïèíîâ-
1/2 [333] è â ñèñòåìå ñîñòîÿùåé èç NV-öåíòðîâ â àëìàçàõ [103] è â ñèñòåìå
íà ñâåðõïðîâîäíèêàõ [141].
4. Ìåòîä DYNAMO
Èíòåðåñíî, ÷òî êàê äëÿ GRAPE, òàê è äëÿ àëãîðèòìà Êðîòîâà èìååòñÿ
îïðåäåëåííûé êëàññ çàäà÷, â êîòîðûõ ýòè àëãîðèòìû ðàáîòàþò ïëîõî [163].
Îäíàêî, åñòü ïðèìåð óäà÷íîãî îáúåäèíåíèÿ äàííûõ àëãîðèòìîâ â ìåòîäå DYNAMO [163], êîòîðûé ÿâëÿåòñÿ îáîáùåíèåì àëãîðèòìîâ Êðîòîâà è
GRAPE, è ìîæåò áûòü ïîñëåäîâàòåëüíûì, êàê àëãîðèòì Êðîòîâà è îäíîâðåìåííûì, êàê GRAPE, ÷òî â íåêîòîðûõ çàäà÷àõ ïðèâîäèò ê õîðîøèì
ðåçóëüòàòàì [52, 192].
5. Ìåòîäû âòîðîãî ïîðÿäêà
Êðîìå àëãîðèòìîâ ïåðâîãî ïîðÿäêà ïî ïðîèçâîäíîé îò ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J àêòèâíî ïðèìåíÿþòñÿ àëãîðèòìû âòîðîãî ïîðÿäêà, íàïðèìåð, êâàçèíüþòîíîâñêèå ìåòîäû âðîäå ìåòîäîâ BFGS, L-BFGS è òîìó ïîäîáíûõ [83,
115,179,194,221,320]. Àíàëîãè÷íî êâàçè-íüþòîíîâñêèì ìåòîäàì, èíîãäà ïðèìåíÿåòñÿ ìåòîä ñîïðÿæåííûõ ãðàäèåíòîâ äëÿ áîëåå ýôôåêòèâíîãî âû÷èñëåíèÿ èíôîðìàöèè î âòîðîé ïðîèçâîäíîé îò J [209, 272].
6. Ìåòîäû CRAB è GOAT
 îïèñàííûõ âûøå àëãîðèòìàõ óïðàâëåíèå áåðåòñÿ êóñî÷íî-ïîñòîÿííûì,
òî åñòü ñâîáîäíî èçìåíÿåòñÿ íà êàæäîì èç îòðåçêîâ âðåìåíè [tj−1 , tj ], ÷òî
èíîãäà ìîæåò ïðèâîäèòü ê ñëîæíûì íà âñåì îòðåçêå âðåìåíè [0, T ] ôîðìàì ïîëó÷àåìûõ óïðàâëåíèé, êîòîðûå ìîæåò áûòü íåëåãêî ðåàëèçîâàòü íà
ïðàêòèêå, ê òîìó æå äëÿ äîñòèæåíèÿ áîëüøîé òî÷íîñòè ïðèõîäèòñÿ èìåòü
49
äåëî ñ áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ïàðàìåòðîâ äëÿ îïòèìèçàöèè. Êðîìå òîãî,
èìåþòñÿ äîâîäû, ÷òî èñïîëüçîâàíèå êóñî÷íî-ïîñòîÿííûõ óïðàâëåíèé ìåøàåò äîñòèæåíèþ ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ îïòèìóìà ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J
ïðè ïðèåìëåìûõ èçäåðæêàõ [193]. Äëÿ ïðåîäîëåíèÿ òàêèõ ïðîáëåì áûë ñîçäàí ìåòîä CRAB [86], êîòîðûé èùåò óïðàâëåíèÿ â âèäå óñå÷åííîãî íàáîðà
P c j j j
j
j
k (t) = 0k (t) N
j=1 ck ĝk (Ωk (1 + rk )) òðèãîíîìåòðè÷åñêèõ ôóíêöèé ĝk , çàâèñÿj
j
ùèõ îò ïàðàìåòðîâ Ωk è ñëó÷àéíûõ ÷èñåë rk (äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáàâèòüñÿ
j
îò îðòîãîíàëüíîñòè ôóíêöèé ĝk ) è ñîõðàíÿåò òàêóþ ôîðìó â ïðîöåññå îïòèìèçàöèè, ÷òî äàåò õîðîøóþ òî÷íîñòü, íî óñëîæíÿåò âû÷èñëåíèÿ [212].
Òàêæå ìîæíî èñêàòü îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå â âèäå àíàëèòè÷åñêèõ ôóíêöèé ñ ïîìîùüþ àëãîðèòìà GOAT [193], êîòîðûé ñòðîèò óïðàâëåíèå ñ ïîìîùüþ çàïèñè äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ äëÿ ãðàäèåíòà îïåðàòîðà ýâîëþöèè ∂α U êâàíòîâîé ñèñòåìû
∂t
U
∂α U
!
=−
ı
~
H 0
∂α H H
!
U
∂α U
!
ãäå α ïàðàìåòðèçàöèÿ óïðàâëåíèé k (α), ∂α H =
,
PM
k=1 (∂α k (α))Hk ,
è
äàëüíåéøåãî åãî ðåøåíèÿ ñ ïîìîùüþ ðÿäà Òåéëîðà
U (α, T ) =
∞
X
Tk
k=0
k!
∂tk
U (α, t)|t=0 ,
∂α U (α, T ) =
∞
X
Tk
k=0
k!
∂tk ∂α U (α, t)|t=0 ,
ãäå ÷ëåíû âû÷èñëÿþòñÿ äîâîëüíî ëåãêî:
!
k−1
X
k−1
ı
ı
k−(m+1)
∂t0 U = U (t), ∂t U = − HU, . . . , ∂tk U = −
(∂t
H)∂tm U,
~
~ m=0
m
!
k−1
X
k
−
1
ı
k−(m+1)
k−(m+1)
((∂t
∂α H)∂tm U + (∂t
H)∂tm ∂α U ).
∂tk (∂α U ) = −
~ m=0
m
Îäíàêî, äëÿ ñîáëþäåíèÿ òî÷íîñòè ðÿäà Òåéëîðà ïîòðåáóåòñÿ ðàçáèåíèå îòðåçêà [0, T ] ñ ìàëûì øàãîì ∆t è ïîâòîðåíèÿ àëãîðèòìà íà êàæäîì [tj−1 , tj ].
Ïîäîáíî ýòèì ìåòîäàì, óïðàâëåíèå ìîæíî èñêàòü è â âèäå âîëíîâûõ ôîðì
áåç òðåáîâàíèÿ èõ îðòîãîíàëüíîñòè,íî ïðè ïðîåöèðîâàíèè íà êàæäîì øàãå
óïðàâëåíèÿ íà ïîäïðîñòðàíñòâî áàçèñíûõ âîëíîâûõ ôîðì [199].
50
7. Ìåòîä D-MORPH
Êðîìå âûøåîïèñàííûõ ìåòîäîâ èìååòñÿ äðóãîé óñïåøíûé ãðàäèåíòíûé àëãîðèòì îïòèìèçàöèè D-MORPH [158, 204, 257], ñóòü êîòîðîãî ñîñòîèò âî
ââåäåíèè äîïîëíèòåëüíîãî âèðòóàëüíîãî ïàðàìåòðà s, îáîçíà÷àþùåãî ïðîãðåññ îïòèìèçàöèè (s ìåíÿåòñÿ îò 0 äî ∞), è ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà óïðàâëåíèÿ J[[s]] ïî äàííîìó ïàðàìåòðó ïóòåì âûáîðà óïðàâëåíèé
, êîòîðûå áóäóò äàëåå óìåíüøàòü ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà ïðè óâåëè÷åíèè s.
Äëÿ ýòîãî òðåáóþò, ÷òîáû âûïîëíÿëîñü íåðàâåíñòâî
M
dJ X
=
ds
ZT
k=1 0
∂J(s) dk [s](t)
dt ≤ 0,
∂k [s](t) ds
â êîòîðîì ìîæíî èñïîëüçîâàòü ëþáóþ ïàðàìåòðèçàöèþ óïðàâëåíèé k :
êóñî÷íî-ïîñòîÿííóþ èëè ðàçëîæåíèå ïî íåêîòîðûì ôóíêöèÿì. Äëÿ âûïîëíåíèÿ ýòîãî íåðàâåíñòâà äîñòàòî÷íî ïîòðåáîâàòü âûïîëíåíèÿ óðàâíåíèé
∂J(s)
dk [s]
=−
ds
∂k [s](t)
k = 1, . . . , M,
(1.2)
êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè óðàâíåíèÿìè ìåòîäà D-MORPH. Ïðè çàäàííîé ôóíêöèîíàëüíîé ôîðìå ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J ýòè óðàâíåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ñèñòåìîé îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ñ íåçàâèñèìîé ïåðåìåííîé s. Ìåòîä D-MORPH ïðåäïîëàãàåò ðåøåíèå äàííîé ñèñòåìû
îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ëþáûì ÷èñëåííûì ìåòîäîì
íà áîëüøîì îòðåçêå [0, S] äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè óïðàâëåíèé
k [s], ãäå â äåéñòâèòåëüíîñòè òîëüêî çíà÷åíèå k [S] ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðåøåíèå çàäà÷è ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, â âèäó ãàðàíòèè, ÷òî
dJ/ds ≤ 0. Òàêèì îáðàçîì, ïðîöåññ ïîñëåäîâàòåëüíî èçìåíåíèÿ óïðàâëåíèé
íåêîòîðûì àëãîðèòìîì íà îñíîâå çíà÷åíèé ïðîèçâîäíûõ îò J çàìåíÿåòñÿ
íà ïðîöåññ ïîñëåäîâàòåëüíîãî ðåøåíèÿ íåêîòîðûì ìåòîäîì ÷èñëåííîãî èíòåãðèðîâàíèÿ ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé, â ïðàâîé ÷àñòè êîòîðîé ó÷èòûâàåòñÿ âëèÿíèå ïðîèçâîäíûõ îò ôóíêöèîíàëà J .
Åùå îäíî âàæíîå äîñòîèíñòâî ìåòîäà D-MORPH çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî
äëÿ ðåøåíèÿ ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé äëÿ ïîëó÷åíèÿ óïðàâëåíèé k ìîæíî ïðèìåíÿòü øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûå ìåòîäû ÐóíãåÊóòòû
51
íåáîëüøîé òî÷íîñòè, òàê êàê ïðè ýòîì íå òðåáóåòñÿ ñîõðàíåíèÿ êàêèõ ëèáî
ãåîìåòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ ðåøåíèÿ, â âèäå òîãî, ÷òî çäåñü ðåøåíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íå äèíàìèêó U êâàíòîâîé ñèñòåìû, êîòîðóþ íåîáõîäèìî ïîñòðîèòü ñ ìàêñèìàëüíîé òî÷íîñòüþ è äîñòîâåðíîñòüþ, à ëèøü ïðîöåññ èçìåíåíèÿ óïðàâëåíèé k [s] â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà s, ïðîöåññ,
ïîñòðîåíèå êîòîðîãî ìîæíî ïðîâîäèòü ñ ìåíüøåé òî÷íîñòüþ è ìåíüøèìè
òðåáîâàíèÿìè ê ÷èñëåííûì ìåòîäàì.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ïðè èñïîëüçîâàíèè êóñî÷íî-ïîñòîÿííûõ óïðàâëåíèé,
D-MORPH òðåáóåò ìàëîñòè øàãà ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé äëÿ âû÷èñëåíèÿ ìàòðèöû ýâîëþöèè Uj íà êàæäîì èíòåðâàëå [tj−1 , tj ] ÷åðåç ìàòðè÷íóþ ýêñïîíåíòó. Ïðè èñïîëüçîâàíèè äðóãèõ âèäîâ ïàðàìåòðèçàöèè óïðàâëåíèé, âû÷èñëåíèå ìàòðèöû ýâîëþöèè U áóäåò òðåáîâàòü èñïîëüçîâàíèÿ
ïðèáëèæåííûõ ìåòîäîâ, êîòîðûå âû÷èñëèòåëüíî çàòðàòíû è ñëîæíû [57].
Èñõîäÿ èç âñåãî ñêàçàííîãî ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ìåòîä D-MORPH ïðåäñòàâëÿåòñÿ ñàìûì ðàçâèòûì è óñïåøíûì ãðàäèåíòíûì ìåòîäîì îïòèìèçàöèè, îñîáåííî â çàäà÷àõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
Ñòîèò ñêàçàòü, ÷òî â çàäà÷àõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé ïðèìåíåíèå ÷èñëåííûõ
àëãîðèòìîâ âû÷èñëèòåëüíî çàòðàòíî, òàê êàê âû÷èñëèòåëüíûå çàòðàòû ðàñòóò
ýêñïîíåíöèàëüíî ñ ðàçìåðîì çàäà÷è (êîëè÷åñòâîì êóáèòîâ), ïîýòîìó àëãîðèòìû
÷èñëåííîé îïòèìèçàöèè (íàïðèìåð, GRAPE) ìîãóò áûòü óëó÷øåíû ñ ïîìîùüþ
ïàðàëëåëèçàöèè è ðàñïðåäåëåííûõ âû÷èñëåíèé [145].
Âñå ãðàäèåíòíûå àëãîðèòìû èíîãäà ìîãóò äàâàòü ïëîõèå ðåçóëüòàòû, îñîáåííî äëÿ ñèñòåì áîëüøîé ðàçìåðíîñòè, è îíè ìîãóò íå ñïðàâèòüñÿ äàæå ñ ìàëîðàçìåðíûìè çàäà÷àìè ñ ïðîñòûìè ãàìèëüòîíèàíàìè, åñëè âðåìÿ íà óïðàâëåíèå T áóäåò î÷åíü ìàëûì [330].  ñëó÷àå, êîãäà èìååòñÿ ìíîãî ëîêàëüíûõ
îïòèìóìîâ ôóíêöèîíàëà J , îíè ìîãóò ñêðûòü ãëîáàëüíûé îïòèìóì J è ëîêàëüíûé îïòèìèçàöèîííûé àëãîðèòì íå ñìîæåò åãî íàéòè. Ê òîìó æå åñëè íåò
èíôîðìàöèè î ãðàäèåíòå J êà÷åñòâà óïðàâëåíèé, òî ïðèõîäèòñÿ èñïîëüçîâàòü
äðóãèå ìåòîäû. Èñõîäÿ èç ýòèõ ñîîáðàæåíèé, ïðåäïî÷òèòåëüíåå èñïîëüçîâàòü
ëîêàëüíûå ãðàäèåíòíûå àëãîðèòìû òîëüêî â ñëó÷àÿõ, êîãäà âðåìÿ T äëÿ ðåàëèçàöèè íóæíîãî êîíå÷íîãî ñîñòîÿíèÿ äîñòàòî÷íî áîëüøîå è èìååòñÿ äîñòàòî÷íî
áîëüøîå êîëè÷åñòâî óïðàâëÿþùèõ ïàðàìåòðîâ äëÿ ïðîñìîòðà âñåé ïîâåðõíîñòè
ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J [330].
52
×èñëåííûå íåãðàäèåíòíûå ìåòîäû
Ïðè îïèñàííûõ âûøå çàòðóäíåíèÿõ ìîæíî ïðèìåíÿòü íåãðàäèåíòíûå ìåòîäû, êîòîðûå ìîãóò äàâàòü áîëåå õîðîøèå ðåçóëüòàòû, ÷åì ãðàäèåíòíûå. Íàïðèìåð, àëãîðèòì NEWUOA [249], íå èñïîëüçóþùèé ãðàäèåíòû ôóíêöèîíàëà
êà÷åñòâà J , íà êàæäîé èòåðàöèè ïî çíà÷åíèÿì èñõîäíîãî ôóíêöèîíàëà J ñòðîèò
êâàäðàòè÷íóþ èíòåðïîëÿöèîííóþ ôóíêöèþ, êîòîðàÿ çàòåì ìèíèìèçèðóåòñÿ â
äîâåðèòåëüíîì ðåãèîíå [238]. Äðóãîé íåãðàäèåíòíûé ìåòîä ñèìïëåêñ ìåòîä
ÍåëäåðàÌèäà, íå èñïîëüçóþùèé èíôîðìàöèþ î ïðîèçâîäíûõ, íî ÿâëÿþùèéñÿ
âñå æå ïî ñóòè ëîêàëüíûì àëãîðèòìîì [258].
Ñðåäè ïðî÷åãî, ìîæíî èñïîëüçîâàòü ýâîëþöèîííûå àëãîðèòìû, òî åñòü ñòîõàñòè÷åñêèå îïòèìèçàöèîííûå àëãîðèòìû, âäîõíîâëåííûå ïðîöåññîì ïðèñïîñîáëåíèÿ è âûæèâàíèÿ áèîëîãè÷åñêèõ îðãàíèçìîâ. Ýòè àëãîðèòìû èñïîëüçóþò
òîëüêî èíôîðìàöèþ î ôóíêöèîíàëå êà÷åñòâà J , à íå î åãî ïðîèçâîäíûõ [330].
Ýâîëþöèîííûå àëãîðèòìû ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàíû äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà èìååòñÿ ìíîãî ëîêàëüíûõ îïòèìóìîâ J .  ýòó ãðóïïó àëãîðèòìîâ âõîäÿò: àëãîðèòì
ñèìóëÿöèè îòæèãà, àëãîðèòì êîëîíèè ìóðàâüåâ, èìèòàöèîííûå àëãîðèòìû, àëãîðèòìû äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè, àëãîðèòìû ðîÿ ÷àñòèö è ãåíåòè÷åñêèå
àëãîðèòìû. Íàïðèìåð, ýâîëþöèîííûå àëãîðèòìû ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ äîñòèæåíèÿ æåëàåìîãî ìîëåêóëÿðíîãî ñîñòîÿíèÿ è îïòèìèçàöèè ðàçëè÷íûõ ïàðàìåòðîâ: ìèíèìèçàöèÿ ýíåðãèè ëàçåðîâ, äëèòåëüíîñòè ëàçåðîâ, ìàêñèìèçàöèÿ âåðîÿòíîñòè ïåðåõîäà â íóæíîå ñîñòîÿíèå [35]. Ê òîìó æå èìååòñÿ óëó÷øåííûé
àëãîðèòì äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè msMS_DE [121] äëÿ ïîèñêà ðîáàñòíûõ
ïîëåé äëÿ ðàçíûõ ïðîáëåì óïðàâëåíèÿ. Òàêèå àëãîðèòìû òàêæå èñïîëüçóþòñÿ
äëÿ ïðåîäîëåíèÿ îñòàíîâêè ïðîöåññà îïòèìèçàöèè â çàäà÷àõ êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ â ïðèñóòñòâèè îêðóæàþùåãî øóìà [218].
Îñíîâíîé íåäîñòàòîê íåãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ íèçêàÿ ñêîðîñòü ïîñòðîåíèÿ
óïðàâëåíèé è îòñóòñòâèå ãàðàíòèè ñõîäèìîñòè ê ãëîáàëüíîìó îïòèìóìó J .
Ãèáðèäíûå ìåòîäû
Èìåþòñÿ ãèáðèäíûå ìåòîäû îïòèìèçàöèè [142], âêëþ÷àþùèå â ñåáÿ íåñêîëüêî ðàçíûõ àëãîðèòìîâ îïòèìèçàöèè äëÿ óñêîðåíèÿ ñõîäèìîñòè è ïîëó÷åíèÿ
áîëåå ïðîñòûõ óïðàâëåíèé. Íàïðèìåð, âíà÷àëå óïðàâëåíèå ìîæíî ïàðàìåòðèçîâàòü íåñêîëüêèìè ñâîáîäíûìè ïàðàìåòðàìè è èñïîëüçîâàòü ïðîñòûå íåãðà-
53
äèåíòíûå ìåòîäû, òàêèå òàê ìåòîä ÍåëäåðàÌèäà, à çàòåì èñïîëüçîâàòü ïîëó÷åííûå óïðàâëåíèÿ äëÿ ãðàäèåíòíîé îïòèìèçàöèè, íàïðèìåð ìåòîäîì Êðîòîâà,
êîòîðàÿ óæå áûñòðî ñîéäåòñÿ ê îïòèìóìó. Àíàëîãè÷íî, ìîæíî èñïîëüçîâàòü ãåíåòè÷åñêèå àëãîðèòìû è ãðàäèåíòíûé ïîèñê [144]. Òàêèì îáðàçîì, ãèáðèäíûå
ìåòîäû ïûòàþòñÿ ñîâìåñòèòü â ñåáå ëó÷øèå êà÷åñòâà ãðàäèåíòíûõ è íåãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ, íî òðåáóþò òîíêîé íàñòðîéêè è íàó÷íîé èíòóèöèè.
Ìåòîäû ìàøèííîãî îáó÷åíèÿ
Êðîìå ïåðå÷èñëåííûõ âûøå àëãîðèòìîâ â çàäà÷àõ êâàíòîâîãî îïòèìàëüíîãî
óïðàâëåíèÿ ïðèìåíÿþòñÿ òàêæå è ìåòîäû ìàøèííîãî îáó÷åíèÿ [97,98,119,120],
íàïðèìåð àëãîðèòì äèíàìè÷åñêîãî îáó÷åíèÿ íà îñíîâå îáðàòíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ îøèáêè [138] èëè ìåòîä îáó÷åíèÿ ñ ïîäêðåïëåíèåì íà îñíîâå ãëóáèííûõ
íåéðîííûõ ñåòåé äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðîáàñòíîãî ê øóìàì óïðàâëåíèÿ, ÷òî òðåáóåò,
îäíàêî, áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ïðèìåðîâ äëÿ îáó÷åíèÿ [214].
1.2.7
Ïðèíöèï ëàíäøàôòà.
Êàê óæå áûëî ñêàçàíî, èìååòñÿ áîëüøîå ÷èñ-
ëî óñïåøíûõ ëîêàëüíûõ ãðàäèåíòíûõ àëãîðèòìîâ, êîòîðûå ñïîñîáíû ïîñòðîèòü
âûñîêîòî÷íûå îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ, íî òîëüêî ïðè óñëîâèè îòñóòñòâèÿ ëîêàëüíûõ îïòèìóìîâ ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J . Èçâåñòíû óñëîâèÿ, êîòîðûå äîñòàòî÷íî íàëîæèòü íà êâàíòîâóþ ñèñòåìó, ÷òîáû ó ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J íå
áûëî ëîêàëüíûõ îïòèìóìîâ è ÷òîáû ëîêàëüíûå îïòèìèçàöèîííûå àëãîðèòìû
óñïåøíî ìîãëè íàõîäèòü ãëîáàëüíîå îïòèìàëüíîå ðåøåíèå [226,227,257], ïðè÷åì
êàê ïðè óïðàâëåíèè â îòêðûòîì öèêëå, òàê è â çàìêíóòîì öèêëå è óïðàâëåíèè
ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ â ðåàëüíîì âðåìåíè [226]. Ýòè óñëîâèÿ íàçûâàþòñÿ ïðèíöèïîì ëàíäøàôòà, è îíè òàêîâû [246, 262]: 1) êâàíòîâàÿ ñèñòåìà äîëæíû áûòü
ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìà, 2) íà óïðàâëåíèÿ íå äîëæíî áûòü íàëîæåíî ñèëüíûõ
îãðàíè÷åíèé, è 3) ÿêîáèàí îòîáðàæåíèÿ → U èç ïðîñòðàíñòâà óïðàâëåíèé â
ïðîñòðàíñòâî óíèòàðíûõ îïåðàòîðîâ ýâîëþöèè ñèñòåìû äîëæåí èìåòü ïîëíûé
ðàíã, òî åñòü áûòü ñþðúåêòèâíûì. Ïðè íàðóøåíèè ýòèõ óñëîâèé ìîãóò ïîÿâëÿòüñÿ ëîêàëüíûå îïòèìóìû, êîòîðûå ìîãóò â ïðèíöèïå îñòàíîâèòü ëîêàëüíûé
îïòèìèçàöèîííûé àëãîðèòì, îäíàêî, ïðè íàëè÷èè íåñèëüíûõ îãðàíè÷åíèé íà
óïðàâëåíèÿ [122, 123, 257, 334] èëè ïðè íàðóøåíèè óñëîâèÿ íà ñþðúåêòèâíîñòü
ÿêîáèàíà [256, 323] âåðîÿòíîñòü íàòêíóòüñÿ íà îñòàíîâêó îïòèìèçàöèè íà ïðàêòèêå ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà.
54
Áîëåå òîãî, ïðèíöèï ëàíäøàôòà òàêæå ãàðàíòèðóåò, ÷òî âñå ëîêàëüíî îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ ÿâëÿþòñÿ è ãëîáàëüíî îïòèìàëüíûìè [230] è ñóùåñòâóåò
öåëîå ìíîæåñòâî îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé [43]. Òåì íå ìåíåå, äëÿ íåêîòîðûõ ýêçîòè÷íûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì ñóùåñòâóþò ñóáîïòèìàëüíûå êðèòè÷åñêèå òî÷êè â
îêðåñòíîñòè íóëåâûõ óïðàâëåíèé, êîòîðûå ìîæåò ïðåîäîëåòü òîëüêî ÷èñëåííûé
àëãîðèòì âûñîêîãî ïîðÿäêà [227, 229]. Íà ïðàêòèêå, îäíàêî, ìîæíî ëåãêî ïðåîäîëåòü ýòè îãðàíè÷åíèÿ. Ïðèìå÷àòåëüíî [210,211], ÷òî îïòèìàëüíûå êâàíòîâûå
òðàåêòîðèè â ïðîñòðàíñòâå óïðàâëåíèé ïðàêòè÷åñêè âñåãäà ÿâëÿþòñÿ ïðÿìûìè
ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèé ïðèíöèïà ëàíäøàôòà.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî âûïîëíåíèå óñëîâèé ëàíäøàôòà ÷àùå âñåãî äîâîëüíî
ïðîñòî îáåñïå÷èòü íà ïðàêòèêå [195, 300], ïîýòîìó ìîæíî ïðèìåíÿòü âûñîêîýôôåêòèâíûå ëîêàëüíûå ãðàäèåíòíûå àëãîðèòìû.
Çàêëþ÷åíèå ê ãëàâå
Îáîáùàÿ âñå ñêàçàííîå ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ãðàäèåíòíûå ìåòîäû íàõîäÿò
ïî÷òè-îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ ñ áîëüøîé òî÷íîñòüþ ïðè áîëüøèõ âû÷èñëèòåëüíûõ çàòðàòàõ, ñ äðóãîé ñòîðîíû, íåãðàäèåíòíûå ìåòîäû ñòðîÿò óïðàâëåíèÿ
áûñòðî, íî íå âñåãäà òî÷íî. Ìåòîäû ìàøèííîãî îáó÷åíèÿ ñïîñîáíû íàõîäèòü
îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ äîñòàòî÷íî áûñòðî è òî÷íî, íî òðåáóþò äëèòåëüíîãî
ïðîöåññà îáó÷åíèÿ è íàëè÷èÿ áîëüøîãî íàáîðà îáó÷àþùèõ ïðèìåðîâ.
Íåñìîòðÿ íà ñâîè íåäîñòàòêè, ãðàäèåíòíûå ìåòîäû ïðåäñòàâëÿþò ñàìûå
òî÷íûå è ýôôåêòèâíûå ìåòîäû äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, îñîáåííî â çàäà÷àõ íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ â êâàíòîâîì
êîìïüþòåðå, áëàãîäàðÿ ôàêòó, ÷òî ñïîñîáíûå îñòàíîâèòü îïòèìèçàöèþ ëîêàëüíûå îïòèìóìû ÷àñòî îòñóòñòâóþò. Ñðåäè âñåõ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ íàèáîëåå
óíèâåðñàëüíûì è ïîëó÷èâøèì øèðîêîå ðàçâèòèå ìåòîäîì ÿâëÿåòñÿ ìåòîä DMORPH, êîòîðûé ÷àñòî íàõîäèò âûñîêîòî÷íûå óïðàâëåíèÿ, íî òðåáóåò ðåøåíèÿ ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ìåòîäîì ÐóíãåÊóòòû. Ê òîìó æå
âî âñåõ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäàõ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â çàäà÷àõ
êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé èñïîëüçóåòñÿ ïðåäïîëîæåíèå î ìàëîñòè øàãà ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé, ÷òî, îäíàêî, ìîæåò ïðèâîäèòü ê ïîòåðå òî÷íîñòè ïîñòðîåíèÿ óïðàâëåíèé ïðè èñïîëüçîâàíèè øàãîâ ñðåäíåé è áîëüøîé âåëè÷èíû,
êîòîðûå ìîãóò áûòü ïðåäïî÷òèòåëüíåå íà ïðàêòèêå â âèäó îãðàíè÷åííîñòè êîëè÷åñòâà ïåðåêëþ÷åíèé óïðàâëåíèé.
55
Ãëàâà 2
Ìåòîä D-MORPH è ïîïðàâêè ê íåìó
 äàííîé ãëàâå ñòàâèòñÿ çàäà÷à îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ äëÿ ðåàëèçàöèè
êâàíòîâûõ ãåéòîâ, ïðèâîäèòñÿ ïîäðîáíîå îïèñàíèå ìåòîäà D-MORPH äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ è ïðèâîäèòñÿ âûâîä äâóìÿ ñïîñîáàìè ïîïðàâîê ê ìåòîäó D-MORPH, óëó÷øàþùèõ åãî òî÷íîñòü.
2.1
Ìîäåëü êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ óïðàâëåíèÿìè. Ïîñòàíîâêà
çàäà÷è
Ðàññìîòðèì çàìêíóòóþ êâàíòîâóþ ñèñòåìó, ðåàëèçóþùóþ êâàíòîâûé ïðîöåññîð è óïðàâëÿåìóþ â îòêðûòîì öèêëå ñ ïîìîùüþ óïðàâëåíèé {k (t)}M
k=1 .
Òàêàÿ ñèñòåìà îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì Øðåäèíãåðà ñ ãàìèëüòîíèàíîì H :
ı~
∂ψ(t)
= H(t)ψ(t),
∂t
t ∈ [0, T ].
Ðàçëîæèì îïåðàòîð Ãàìèëüòîíà H â ðÿä ïî óïðàâëåíèÿì [262]
H(t) = H0 +
M
X
Hk k (t) +
M
X
Hi,j i (t)j (t) + · · ·
i,j=1
k=1
Åñëè âçÿòü òîëüêî ïåðâûå äâà ÷ëåíà äàííîãî ðàçëîæåíèÿ, òî ýòî áóäåò íàçûâàòüñÿ äèïîëüíûì ïðèáëèæåíèåì, ñ êîòîðûì ÷àùå âñåãî è ïðîâîäÿò âñå èññëåäîâàíèÿ [53, 158, 173, 204, 257], òàê êàê ÷ëåíû áîëåå âûñîêèõ ïîðÿäêîâ êðàéíå
ñëîæíû. Ìû òàêæå áóäåì ðàáîòàòü â äèïîëüíîì ïðèáëèæåíèè.
Áóäåì äàëåå ðàññìàòðèâàòü êâàíòîâóþ ñèñòåìó â äèïîëüíîì ïðèáëèæåíèè
M
X
∂ψ(t)
ı~
= (H0 +
Hk k (t))ψ(t),
∂t
k=1
t ∈ [0, T ].
(2.1)
56
Âîëíîâàÿ ôóíêöèÿ ψ ðàñïîëîæåíà â ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå, ÷üÿ ðàçìåðíîñòü, êàê èçâåñòíî, áåñêîíå÷íà, íî ñ÷åòíà. Íî òàê êàê äàííàÿ êâàíòîâàÿ
ñèñòåìà ÿâëÿåòñÿ ðåàëèçàöèåé îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ êóáèòîâ, òî ñðåäè âñåõ
âîçìîæíûõ ôèçè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé, â êîòîðûõ ìîæåò íàõîäèòüñÿ êâàíòîâàÿ ñèñòåìà, ìîæíî âûäåëèòü äâà ñîñòîÿíèÿ (äëÿ ñëó÷àÿ îäíîãî êóáèòà) èëè áîëüøåå, íî êîíå÷íîå ÷èñëî ñîñòîÿíèé (äëÿ ñëó÷àÿ íåñêîëüêèõ êóáèòîâ), êîòîðûå
íàñ èíòåðåñóþò è ìîãóò áûòü îïðåäåëåííûì îáðàçîì õîðîøî îòäåëåíû îò âñåõ
îñòàëüíûõ âîçìîæíûõ ñîñòîÿíèé. Òàêèì îáðàçîì, ìû ïåðåõîäèì ê êîíå÷íîìó
áàçèñó âîëíîâûõ ôóíêöèé â ïåðâîíà÷àëüíîì ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå, òî
åñòü îãðàíè÷èâàåìñÿ ðàññìîòðåíèåì íåêîòîðîãî êîíå÷íîìåðíîãî ïîäïðîñòðàíñòâà ïåðâîíà÷àëüíîãî áåñêîíå÷íîìåðíîãî ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà. Êàê áûëî
ñêàçàíî â ãëàâå 1, òðåáîâàíèå òîãî, ÷òîáû êâàíòîâàÿ ñèñòåìà ìîãëà áûòü ðåàëèçàöèåé êâàíòîâîãî ïðîöåññîðà, ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ñèñòåìà áóäåò î÷åíü õîðîøî îïèñûâàòüñÿ â ïîäîáíîì êîíå÷íîìåðíîì ïîäïðîñòðàíñòâå è, ïðè ñîáëþäåíèè
íåêîòîðûõ óñëîâèé íà ñèëó óïðàâëåíèÿ, íå áóäåò âûõîäèòü çà åãî ïðåäåëû.
Âñå âûøåñêàçàííîå ìîæíî çàïèñàòü â ñèìâîëüíîì âèäå
ψ(t) =
∞
X
ψi (t)ci (t),
i=1
ãäå ψi áàçèñíûå ôóíêöèè ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà, ci êîýôôèöèåíòû ðàçëîæåíèÿ âîëíîâîé ôóíêöèè ïî áàçèñó {ψi }k . Òîãäà ìû èìååì ïðàâî ðàññìàòðèâàòü êîíå÷íóþ ñóììó
ψ(t) =
N
X
ψi (t)ci (t).
i=1
Ïîñëå ïîäñòàíîâêè äàííîãî ðàçëîæåíèÿ â óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà
(2.1)
è ðàç-
ëîæåíèÿ ðåçóëüòàòà äåéñòâèÿ îïåðàòîðîâ H0 è {Hk }k íà áàçèñíûå ôóíêöèè ψi
ïî òîìó æå ñàìîìó áàçèñó, óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà
(2.1)
ïåðåéäåò èç îïåðàòîð-
íîé ôîðìû â ìàòðè÷íóþ ôîðìó (ïîñëå ââåäåíèÿ ìàòðèö äëÿ îïåðàòîðîâ H0 è
{Hk }k è ââåäåíèÿ âåêòîðà c = (c1 , . . . , cN )T )
M
X
dc(t)
= (H0 +
Hk k (t))c(t),
ı~
dt
t ∈ [0, T ].
k=1
Ïîëó÷èëè ìàòðè÷íóþ ñèñòåìó óðàâíåíèé ðàçìåðíîñòè N .
57
Ñïåöèàëüíî äëÿ çàäà÷è ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ, ñëåäóÿ òåì æå ðàññóæäåíèÿì, ÷òî è âûøå, è ââîäÿ â óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà
(2.1)
óíèòàðíûé
îïåðàòîð ýâîëþöèè êâàíòîâîé ñèñòåìû U (ñì. ïðèëîæåíèå 1), îïðåäåëÿåìûé
äåéñòâèåì íà âîëíîâóþ ôóíêöèþ ψ êàê
ψ(t) = U (t, 0)ψ(0),
è ïåðåõîäÿ ê êîíå÷íîìåðíîìó ïîäïðîñòðàíñòâó, ïîëó÷èì ìàòðè÷íóþ ñèñòåìó
(ïîñëå ââåäåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ìàòðèö H0 , {Hk }k è U ðàçìåðíîñòè N × N )
M
X
d
Hk k (t))U (t, 0),
ı~ U (t, 0) = (H0 +
dt
t ∈ [0, T ],
(2.2)
k=1
êîòîðàÿ ïðèãîäíà äëÿ çàäà÷è ðåàëèçàöèè ê ìîìåíòó T îïðåäåëåííîãî êâàíòîâîãî ãåéòà UD , òàê êàê ìàòðèöà U (t, 0) ýâîëþöèè ñèñòåìû â êàæäûé ìîìåíò
âðåìåíè t ñ òî÷êè çðåíèÿ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé êàê ðàç ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
êâàíòîâûé ëîãè÷åñêèé ãåéò óíèòàðíóþ ìàòðèöó ïðèíàäëåæàùóþ ãðóïïå Ëè
óíèòàðíûõ ìàòðèö U(N ). Ê òîìó æå ìàòðèöû â ïðàâîé ÷àñòè ñèñòåìû
(2.2)
ïðèíàäëåæàò àëãåáðå Ëè u(N ) êîñîýðìèòîâûõ êâàäðàòíûõ ìàòðèö ðàçìåðíîñòè N × N , ÷òî âèäíî åñëè óìíîæèòü ïðåäûäóùóþ ñèñòåìó íà −ı, òàê êàê
ìàòðèöû H0 , Hk , k = 1, . . . , M ÿâëÿþòñÿ ýðìèòîâûìè (ñì. ïðèëîæåíèå 1):
M
X
d
~ U (t, 0) = −ı(H0 +
Hk k (t))U (t, 0).
dt
k=1
Äàëåå, ìàòðèöû ñèñòåìû âñåãäà ìîæíî çàïèñàòü â âèäå H0 = D0 + H̃0 ,
Hk = Dk + H̃k , k = 1, . . . , M , òî åñòü âûäåëèòü èõ ñëåä, ãäå
1
1
D0 = diag
Tr(H0 ), . . . , Tr(H0 ) ,
N
N
1
1
Dk = diag
Tr(Hk ), . . . , Tr(Hk ) ,
N
N
H̃0 = H0 − D0
H̃k = Hk − Dk ,
k = 1, . . . , M.
Òàêèì îáðàçîì, Tr(H̃0 ) = 0, Tr(H̃k ) = 0, k = 1, . . . , M , è −ıH̃0 ∈ su(N ),
−ıH̃k ∈ su(N ), k = 1, . . . , M , ãäå su(N ) àëãåáðà Ëè êîñîýðìèòîâûõ êâàäðàòíûõ ìàòðèö ðàçìåðíîñòè N × N ñ íóëåâûì ñëåäîì, à ìàòðèöà U ∈ SU(N )
ãðóïïå Ëè óíèòàðíûõ ìàòðèö ñ åäèíè÷íûì îïðåäåëèòåëåì.
58
Òîãäà óðàâíåíèå
(2.2)
~U̇ (t, 0) = −ı D0 +
äëÿ ìàòðèöû ýâîëþöèè U ïðèìåò âèä
M
X
!
Dk k (t) U (t, 0) − ı H̃0 +
M
X
!
H̃k k (t) U (t, 0) =
k=1
k=1
= −ıD(t)U (t, 0) − ıH̃(t)U (t, 0),
t ∈ [0, T ].
Ìàòðèöà D(t) ÿâëÿåòñÿ äèàãîíàëüíîé è, ñëåäîâàòåëüíî, êîììóòèðóåò ñ ëþáîé
êâàäðàòíîé ìàòðèöåé, ïîýòîìó îíà îïðåäåëÿåò ÷èñòî ôàçîâûé âêëàä â ðåøåíèå
U (t), òî åñòü ýòîò ÷ëåí íå âëèÿåò íà îòíîñèòåëüíûå ôàçû êîìïîíåíòîâ âåêòîðà
c(t) = U (t, 0)c(0). Òàê êàê ñîñòîÿíèÿ, îòëè÷àþùèåñÿ òîëüêî ïî ôàçå, ôèçè÷åñêè
íåðàçëè÷èìû â êâàíòîâîé ìåõàíèêå [8], òî ìîæíî îòáðîñèòü â óðàâíåíèè ÷ëåí
ñ ìàòðèöåé D̂(t) è ïîëó÷èòü ñèñòåìó â êîíå÷íîì âèäå (ãäå ìàòðèöû ñèñòåìû
çàïèñàíû óæå áåç òèëüäû íàä íèìè):
~U̇ (t, 0) = −ı H0 +
M
X
!
Hk k (t) U (t, 0),
t ∈ [0, T ],
(2.3)
k=1
êîòîðàÿ âûãëÿäèò àáñîëþòíî èäåíòè÷íî ñèñòåìå (2.2) çà èñêëþ÷åíèåì òîãî ôàêòà, ÷òî ìàòðèöû ñèñòåìû −ıH0 , {−ıHk }k ïðèíàäëåæàò óæå su(N ), à ðåøåíèå
U ïðèíàäëåæèò SU(N ). Èìåííî ñ ñèñòåìàìè âèäà (2.3), çàäàííûìè íà àëãåáðå
Ëè su(N ), ìû áóäåì èìåòü äåëî â äàííîé ðàáîòå.
Ðàçäåëèì âåñü îòðåçîê [0, T ] íà L îòðåçêîâ [tl−1 , tl ] äëèíû ∆t = T /L.
Èçâåñòíî, ÷òî íà êàæäîì îòðåçêå [tl−1 , tl ], l = 1, . . . , L äëÿ ãëàäêèõ óïðàâëåíèé k (t), k = 1, . . . , M ñïðàâåäëèâî ðàçëîæåíèå Òåéëîðà [12] îêîëî òî÷êè tl−1
k (t) =
∞ (n)
X
(tl−1 )
k
n=0
n!
(t − tl−1 )n ,
t ∈ [tl−1 , tl ].
Åñëè òåïåðü ðàññìàòðèâàòü ðàññìàòðèâàòü óïðàâëåíèÿ êàê êóñî÷íî-ïîñòîÿííûå
˜k (t) = k (tl−1 ),
t ∈ [tl−1 , tl ],
òî, ñòðîãî ãîâîðÿ, îøèáêà òàêîãî ïðèáëèæåíèÿ áóäåò ðàâíà
k (t) − ˜k (t) =
∞ (n)
X
(tl−1 )
k
n=1
n!
(t − tl−1 )n ∼ O(∆tl ).
59
Òàêèì îáðàçîì, äëÿ òîãî, ÷òîáû êóñî÷íî-ïîñòîÿííûå óïðàâëåíèÿ {˜
k (t)}k
äîñòàòî÷íî âåðíî ñîîòâåòñòâîâàëè àíàëèòè÷åñêèì óïðàâëåíèÿì {k (t)}k ñëîæíîé ôîðìû, ïîòðåáóåòñÿ èñïîëüçîâàòü î÷åíü ìàëûé øàã ∆t ïî âðåìåíè.
Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïðè èñïîëüçîâàíèè óïðàâëåíèé, çàâèñÿùèõ îò âðåìåíè,
ñóùåñòâåííî óñëîæíÿþòñÿ âû÷èñëåíèÿ. Òàê, íàïðèìåð, ïðè èñïîëüçîâàíèè â ðÿäå Òåéëîðà òîëüêî ÷ëåíîâ äî ïåðâîãî ïîðÿäêà ïî ∆t âêëþ÷èòåëüíî, êîëè÷åñòâî
ïàðàìåòðîâ äëÿ îïòèìèçàöèè óäâàèâàåòñÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ êóñî÷íî-ïîñòîÿííûìè
óïðàâëåíèÿìè. Áîëåå òîãî, ïðè èñïîëüçîâàíèè çàâèñÿùèõ îò âðåìåíè ôîðì
óïðàâëåíèé, äëÿ âû÷èñëåíèÿ äèíàìèêè U ñèñòåìû ïîòðåáóåòñÿ, íàïðèìåð, èñïîëüçîâàòü íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ÷ëåíîâ ðàçëîæåíèÿ Ìàãíóñà, ÷òî â ñâîþ î÷åðåäü ïîòðåáóåò âû÷èñëåíèÿ èíòåãðàëîâ îò ôóíêöèé óïðàâëåíèé è âû÷èñëåíèÿ
ìàòðè÷íûõ êîììóòàòîðîâ, ÷òî ïîòðåáóåò äîëãèõ è çàòðàòíûõ âû÷èñëåíèé.
Êîíå÷íî, åñëè ñ÷èòàòü, ÷òî íàì äîñòóïíû èäåàëüíûå èìïóëüñíûå ëàçåðû,
êîòîðûå ìãíîâåííî âêëþ÷àþòñÿ è âûêëþ÷àþòñÿ, èäåàëüíî ïîääåðæèâàþò çàäàííûé óðîâåíü èíòåíñèâíîñòè, òî êóñî÷íî-ïîñòîÿííûå óïðàâëåíèÿ ìîæíî ñ÷èòàòü àáñîëþòíî òî÷íûì ïðèáëèæåíèåì ê ôèçè÷åñêèì óïðàâëåíèÿì äàæå ïðè
áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ ∆t. Ýòîãî äîïóùåíèÿ ìû áóäåì ïðèäåðæèâàòüñÿ äàëüøå, è
áóäåì èñïîëüçîâàòü èìåííî êóñî÷íî-ïîñòîÿííûå óïðàâëåíèÿ.
Ñ
ó÷åòîì
äàííûõ
äîïóùåíèé
ïîñòàâèì
Ïóñòü çàäàíû ãàìèëüòîíèàí H ñèñòåìû âèäà
(2.3),
ñëåäóþùóþ
çàäà÷ó.
êîíå÷íîå âðåìÿ ýâîëþöèè
T è æåëàåìûé êâàíòîâûé ãåéò UD . Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêèå óïðàâëåíèÿ k (t),
k = 1, . . . , M (â ôîðìå èõ êóñî÷íûõ çíà÷åíèé k (tj )), ÷òîáû ïîñëå èõ ïîäñòàíîâêè â ñèñòåìó (2.3) äèíàìèêà U ñèñòåìû, íà÷àâøàÿñÿ â ìîìåíò âðåìåíè t = 0
ñ íà÷àëüíûì óñëîâèåì U (0, 0) = I , ê ìîìåíòó âðåìåíè t = T ðåàëèçîâàëà çàäàííûé ãåéò, òî åñòü U (T, 0) = UD .
Ñòîèò çàìåòèòü, ÷òî òðåáóåòñÿ ðåàëèçîâàòü äåéñòâèå êâàíòîâîãî ãåéòà èìåííî ê êîíå÷íîìó ìîìåíòó âðåìåíè T , â ïðîìåæóòî÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè ìàòðèöà ýâîëþöèè ñèñòåìû U ìîæåò (è ñêîðåå âñåãî, áóäåò) ñîîòâåòñòâîâàòü äðóãèì
êâàíòîâûì ãåéòàì, â òîì ÷èñëå è òåì, êîòîðûå íå èìåþò ñìûñëà ñ òî÷êè çðåíèÿ
èõ èñïîëüçîâàíèÿ â âû÷èñëåíèÿõ êàê îòäåëüíûõ ãåéòîâ. Åñëè æå ñìîòðåòü òîëüêî íà íà÷àëüíîå ψ(0) è êîíå÷íîå ψ(T ) ñîñòîÿíèå êâàíòîâîé ñèñòåìû (2.1), òî
ïîëó÷èòñÿ, ÷òî çà âðåìÿ T âûïîëíÿåòñÿ èìåííî îïåðàöèÿ UD íàä êóáèòîì (èëè
êóáèòàìè), íàõîäÿùèìñÿ â ñîñòîÿíèè ψ(0), òî åñòü âûïîëíÿåòñÿ ïðåîáðàçîâàíèå
êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ âèäà ψ(T ) = UD ψ(0).
60
Åñòåñòâåííî, ÷òî ïðè íàëè÷èè ïîëíîé óïðàâëÿåìîñòè ñèñòåìû
(2.1)
èëè ñè-
ñòåìû (2.3) (÷òî â ñëó÷àå ðàáîòû ñ êóáèòàìè âñåãäà èìååò ìåñòî), âñåãäà íàéäóòñÿ óïðàâëåíèÿ {k }k , ðåàëèçóþùèå çàäàííûé ãåéò UD àáñîëþòíî òî÷íî. Îäíàêî,
â âèäó îòñóòñòâèÿ àíàëèòè÷åñêèõ ñïîñîáîâ ïîñòðîåíèÿ òàêèõ óïðàâëåíèé äëÿ
ñèñòåì ñîñòîÿùèõ áîëåå ÷åì èç îäíîãîäâóõ êóáèòîâ [108, 112, 174], ïðèõîäèòñÿ
èñïîëüçîâàòü ïðèáëèæåííûå ÷èñëåííûå ìåòîäû äëÿ ïîñòðîåíèÿ ïðèáëèæåííûõ
óïðàâëåíèé (ìîæåò áûòü íåñêîëüêèõ), êîòîðûå áóäóò ðåàëèçîâûâàòü çàäàííûé
ãåéò UD òàêæå ïðèáëèæåííî. Êîíå÷íî æå, â òàêîì ñëó÷àå æåëàòåëüíî íàéòè
òàêèå ïðèáëèæåííûå óïðàâëåíèÿ, êîòîðûå áóäóò äàâàòü íàèìåíüøóþ îøèáêó
â ðåàëèçàöèè ãåéòà UD . Äëÿ ýòîé öåëè íåîáõîäèìî ââåñòè ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà óïðàâëåíèé J[], êîòîðûé îïèñûâàåò îøèáêó ðåàëèçàöèè ãåéòà èëè, ÷òî
òîæå ñàìîå, ñòåïåíü áëèçîñòè ïîëó÷åííîãî ñ ïîìîùüþ ïðèáëèæåííûõ óïðàâëåíèé ãåéòà ê çàäàííîìó ãåéòó UD . Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ çàäà÷è ðåàëèçàöèè
êâàíòîâûõ ãåéòîâ òàêîé ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà áóäåò çàâèñåòü îò óïðàâëåíèé
íå íàïðÿìóþ, à ÷åðåç äèíàìèêó êâàíòîâîé ñèñòåìû, îïèñûâàåìîé ýâîëþöèîííîé ìàòðèöåé U , òî åñòü òî÷íàÿ çàâèñèìîñòü áóäåò èìåòü âèä J[U []], îäíàêî, â
äàëüíåéøåì áóäåì ïèñàòü J[] èëè âîâñå J , ïîäðàçóìåâàÿ èìåííî J[U []].
Èñõîäÿ èç âûøåñêàçàííîãî, ðàíåå ïîñòàâëåííóþ çàäà÷ó óïðàâëåíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìîé ïðåîáðàçóåì â çàäà÷ó îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìîé. Íîâàÿ çàäà÷à áóäåò âûãëÿäåòü ñëåäóþùèì îáðàçîì.
Ïóñòü çàäàíû ãàìèëüòîíèàí H ñèñòåìû âèäà (2.3), êîíå÷íîå âðåìÿ
ýâîëþöèè T , æåëàåìûé êâàíòîâûé ãåéò UD è ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà óïðàâëåíèé J[], îïèñûâàþùèé îøèáêó â ðåàëèçàöèè ãåéòà UD ñ ïîìîùüþ óïðàâëåíèé
{i }. Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêèå óïðàâëåíèÿ k (t), k = 1, . . . , M (â ôîðìå èõ êóñî÷íûõ çíà÷åíèé k (tj )) äëÿ ñèñòåìû (2.3), ÷òîáû ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà J[]
ïðèíÿë ñâîå ìèíèìàëüíî âîçìîæíîå çíà÷åíèå.
Çàäà÷à.
Åñëè æå ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà J îïèñûâàåò íå îøèáêó â ðåàëèçàöèè ãåéòà, à òî÷íîñòü åãî ðåàëèçàöèè, òî î÷åâèäíî ïðåäûäóùóþ çàäà÷ó íåîáõîäèìî
èçìåíèòü òàê, ÷òîáû èñêàëèñü óæå óïðàâëåíèÿ ìàêñèìèçèðóþùèå J .
61
2.2
Ìåòîä D-MORPH
Îðèãèíàëüíûé ìåòîä D-MORPH ôîðìóëèðóåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì [158,
204,257]. Ââîäèòñÿ íîâàÿ ôèêòèâíàÿ ïåðåìåííàÿ s òàêàÿ, ÷òî ôóíêöèîíàë êà÷åñòâà J(s) è óïðàâëåíèÿ k (s, t) çàâèñÿò îò íåå. Äàííàÿ ïåðåìåííàÿ îáîçíà÷àåò
ïðîãðåññ ïðîöåññà îïòèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà, òî åñòü, íàïðèìåð, â
çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà, ïðè óâåëè÷åíèè s, çíà÷åíèÿ J(s)
áóäóò ïî êðàéíåé ìåðå íå óâåëè÷èâàòüñÿ. Çàòåì íàõîäèì ïðîèçâîäíóþ ïî s
M
dJ X
=
ds
ZT
k=1 0
∂J(s) dk (s, t)
dt.
∂k (s, t) ds
×òîáû íàéòè ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J , äîñòàòî÷íî ïîòðåáîâàòü, ÷òîáû âûïîëíÿëîñü íåðàâåíñòâî dJ/ds ≤ 0.  ýòîì ñëó÷àå, åñëè ìû óâåëè÷èì s,
òî J ïî êðàéíåé ìåðå íå óâåëè÷èòñÿ.
Ðàçäåëèì îòðåçîê [0, T ] íà L îòðåçêîâ îäèíàêîâîé äëèíû ∆t è áóäåì ñ÷èòàòü
óïðàâëåíèÿ êóñî÷íî-ïîñòîÿííûìè ôóíêöèÿìè ïo t
k (s, t) =
L
X
lk (s)χ[tl−1 ,tl ] (t),
l=1
ãäå χ[tl−1 ,tl ] (t) èíäèêàòîðíàÿ ôóíêöèÿ îòðåçêà [tl−1 , tl ],
1, t ∈ [t , t ]
l−1 l
.
χ[tl−1 ,tl ] (t) =
0, t ∈
/ [tl−1 , tl ]
Òîãäà íåðàâåíñòâî dJ/ds ≤ 0 ìîæåò áûòü çàïèñàíî êàê
M
L
dJ X X
=
ds
Ztl
k=1 l=1 t
l−1
Óñëîâèå
(2.4)
∂J(s) dlk (s)
dt ≤ 0.
∂k (s, t) ds
(2.4)
íà ìèíèìèçàöèþ ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà áóäåò âûïîëíÿòüñÿ
àâòîìàòè÷åñêè, åñëè ïîëîæèòü
dlk (s)
∂J(s)
=−
,
ds
∂k (s, t)
t ∈ [tl−1 , tl ],
l = 1, L,
k = 1, M .
(2.5)
62
 çàäà÷å ïîèñêà ìàêñèìóìà ôóíêöèîíàëà J àíàëîãè÷íîå óñëîâèå
tl
dJ
=
ds
L Z
M X
X
k=1 l=1 t
l−1
∂J(s) dlk (s)
dt ≥ 0
∂k (s, t) ds
áóäåò âûïîëíÿòüñÿ, åñëè ïîëîæèòü
dlk (s)
∂J(s)
=
,
ds
∂k (s, t)
t ∈ [tl−1 , tl ],
l = 1, L,
k = 1, M .
Òàêèì îáðàçîì, îðèãèíàëüíûé ìåòîä D-MORPH ïðåäïîëàãàåò ðåøåíèå ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
(2.5)
íåêîòîðûì ÷èñëåííûì ìåòîäîì, ãäå
lk (s) íåèçâåñòíûå ôóíêöèè ïîäëåæàùèå íàõîæäåíèþ. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî
ôóíêöèîíàëüíàÿ ôîðìà ôóíêöèîíàëà J îò k (s, t) èçâåñòíà çàðàíåå, ïîýòîìó
ïðàâàÿ ÷àñòü âûðàæåíèÿ (2.5) òîæå ñ÷èòàåòñÿ âû÷èñëèìîé. Ñòîèò çàìåòèòü,
÷òî ïðàâàÿ ÷àñòü âûðàæåíèÿ çàâèñèò ñðàçó îò âñåõ óïðàâëåíèé lk (s).
 ðàáîòàõ [202204, 256, 257] òàêèå ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
ðåøàþòñÿ íà áîëüøîì îòðåçêå [0, S] ìåòîäàìè ÐóíãåÊóòòû ñ ïåðåìåííûì øàãîì, ðåàëèçîâàííûìè â ìåòîäå ode45 [270] ñðåäû MATLAB. Òîãäà ïðèáëèçèòåëüíî îïòèìàëüíîå ðåøåíèå ïîëó÷àåòñÿ ïðè êîíå÷íîì çíà÷åíèè s = S , òàê
êàê ìåòîä ãàðàíòèðóåò, ÷òî çíà÷åíèÿ ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J ïî êðàéíåì ìåðå
íå áóäåò óâåëè÷èâàòüñÿ ïðè óâåëè÷åíèè s. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî íà ïðàêòèêå
èç-çà íàëè÷èÿ è ïîñòåïåííîãî íàêîïëåíèÿ âû÷èñëèòåëüíûõ îøèáîê ìîæåò íàáëþäàòüñÿ è âîçðàñòàíèå çíà÷åíèÿ ôóíêöèîíàëà J ïðè óâåëè÷åíèè s.  òàêîì
ñëó÷àå ñëåäóåò áðàòü ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå íà âñåì [0, S]. Ïîäîáíîå ïîâåäåíèå
íàáëþäàëîñü â îñíîâíîì, êîãäà áûëè íàëîæåíû ñèëüíûå îãðàíè÷åíèÿ íà êîíå÷íîå âðåìÿ T èëè íà øàã ∆t. Ïðè îñëàáëåíèè îãðàíè÷åíèé, ïîâåäåíèå ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà ñòàíîâèòñÿ áîëåå ïðåäñêàçóåìûì.
Âûïèøåì ôîðìó óðàâíåíèé ìåòîäà D-MORPH äëÿ êîíêðåòíîãî âèäà ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J . Òàê êàê äàííàÿ ðàáîòà ñîñðåäîòî÷åíà íà ïðîáëåìàõ êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ â çàäà÷àõ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé, à èìåííî â çàäà÷å ðåàëèçàöèè êîíêðåòíîãî îïåðàòîðà óíèòàðíîé ýâîëþöèè (êâàíòîâîãî ãåéòà) UD ê íåêîòîðîìó ìîìåíòó âðåìåíè T , òî öåëåâîé ôóíêöèîíàë J áåðåòñÿ â âèäå [202, 204]
J=
1
1
−
Re Tr [UD∗ U (T, 0)] .
2 2N
(2.6)
63
Ýòîò öåëåâîé ôóíêöèîíàë ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äèñòàíöèþ ìåæäó æåëàåìûì
îïåðàòîðîì ýâîëþöèè UD è ôàêòè÷åñêèì îïåðàòîðîì ýâîëþöèè U (T, 0) â ìîìåíò âðåìåíè T . Ýòî ëåãêî ìîæíî óâèäåòü, ñëåäóÿ ñëåäóþùèì ðàññóæäåíèÿì.
Èñïîëüçóÿ ñâîéñòâî ñëåäà Tr åäèíè÷íîé ìàòðèöû I (Tr I = N ), ïîëó÷èì
J=
1
1
(N − Tr Re [UD∗ U (T, 0)]) =
Tr (I − Re [UD∗ U (T, 0)]) .
2N
2N
Èñïîëüçóÿ ñâîéñòâî âåùåñòâåííîé ÷àñòè êîìïëåêñíîãî ÷èñëà z , Re z = (z +z)/2,
T
è ñâîéñòâî ýðìèòîâîãî ñîïðÿæåíèÿ ìàòðèöû U ∗ = U , ïîëó÷èì
Tr Re UD∗ U (T, 0)
1 ∗
∗
= Tr UD U (T, 0) + UD U (T, 0) =
2
1 ∗
T
= Tr UD U (T, 0) + UD U (T, 0) .
2
Ïðèìåíÿÿ ê ïðàâîìó ñëàãàåìîìó ñâîéñòâà Tr A = Tr AT è Tr(AB) = Tr(BA),
ñïðàâåäëèâûõ äëÿ ïðîèçâîëüíûõ ìàòðèö A è B , ïîëó÷èì
Tr Re UD∗ U (T, 0) =
1
Tr (UD∗ U (T, 0) + U ∗ (T, 0)UD ) .
2
Òîãäà
J=
1
1
(N − Tr Re [UD∗ U (T, 0)]) =
Tr (2I − UD∗ U (T, 0) − U ∗ (T, 0)UD ) .
2N
4N
Ñ äðóãîé ñòîðîíû, åñëè ðàçëîæèòü âûðàæåíèå äëÿ êâàäðàòà äèñòàíöèè ìåæäó
îïåðàòîðàìè UD è U (T, 0) â íîðìå Ôðîáåíèóñà (||A||F =
√
Tr A∗ A), ïîëüçóÿñü
ñâîéñòâàìè óíèòàðíûõ ìàòðèö (U ∗ U = I ), ïîëó÷èì
||UD − U (T, 0)||2F = Tr (UD − U (T, 0))∗ (UD − U (T, 0)) =
= Tr (UD∗ UD − U ∗ (T, 0)UD − UD∗ U (T, 0) + U ∗ (T, 0)U (T, 0)) =
= Tr (2I − U ∗ (T, 0)UD − UD∗ U (T, 0)) .
Òîãäà ïîñëå ñðàâíåíèÿ äâóõ ïîñëåäíèõ âûðàæåíèé ïîëó÷àåì ñëåäóþùóþ ôîðìó
öåëåâîãî ôóíêöèîíàëà, èç êîòîðîé î÷åâèäåí åãî ñìûñë, êàê äèñòàíöèÿ ìåæäó
äâóìÿ ñîñòîÿíèÿìè.
J=
1
||UD − U (T, 0)||2F .
4N
64
Íàéäåì ïðîèçâîäíóþ ôóíêöèîíàëà J ïî óïðàâëåíèÿì k (s, t). Ñîãëàñíî ðàáîòå [204], äàííàÿ ïðîèçâîäíàÿ ìîæåò áûòü ïîëó÷åíà â ôîðìå
∂J(s)
1
=−
Im Tr [UD∗ U (T, t)Hk U (t, 0)] .
∂k (s, t)
2N
Ýòî âûðàæåíèå ïîëó÷àåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì [204]. Ñíà÷à ðàñïèøåì îïåðàöèþ âçÿòèÿ âåùåñòâåííîé ÷àñòè êîìïëåêñíîãî ÷èñëà â ôîðìóëå
(2.6)
äëÿ J êàê
ïîëóñóììó êîìïëåêñíîãî ÷èñëà è åãî êîìïëåêñíî-ñîïðÿæåííîãî ÷èñëà
i
h
1
1
∗
∗
Tr [UD U (T, 0)] + Tr UD U (T, 0) .
J= −
2 4N
Çàòåì âîçüìåì ïðîèçâîäíóþ îò äàííîãî âûðàæåíèÿ ïî óïðàâëåíèþ k , êîòîðàÿ
ïðîõîäèò ñðàçó æå ïîä çíàê âçÿòèÿ ñëåäà ìàòðèöû, è ïîëó÷èì
∂J(s)
1
=−
∂k (s, t)
4N
"
#!
∂U
(T,
0)
∂U
(T,
0)
+ Tr UD∗
Tr UD∗
.
∂k (s, t)
∂k (s, t)
(2.7)
Äëÿ íàõîæäåíèÿ ïðîèçâîäíîé îò ìàòðèöû ýâîëþöèè U (T, 0) ñíà÷àëà âîçüìåì âàðèàöèþ óïðàâëåíèÿ δk , ïîñëå ÷åãî ïîÿâèòñÿ ñîîòâåòñòâóþùàÿ âàðèàöèÿ
óíèòàðíîé ìàòðèöû ýâîëþöèè δU . ×òîáû íàéòè ñîîòíîøåíèÿ, ñâÿçûâàþùèå âàðèàöèþ ìàòðèöû ýâîëþöèè δU ñ îñòàëüíûìè âåëè÷èíàìè, âîçüìåì âàðèàöèþ
îò óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà
(2.3),
çàïèñàííîãî äëÿ îïåðàòîðà ýâîëþöèè â òàêèõ
åäèíèöàõ èçìåðåíèÿ, ÷òî ~ = 1,
d
δ ı U = δ (HU ) ,
dt
ı
ãäå δH =
PM
k=1 δk Hk .
d
δU = δHU + HδU,
dt
Òåïåðü íàéäåì ïðîèçâîäíóþ îò âûðàæåíèÿ U ∗ δU ïî
âðåìåíè t.
d
d
d
(U ∗ δU ) = U ∗ δU + U ∗ δU.
dt
dt
dt
Ïîäñòàâèì âûðàæåíèÿ äëÿ ïðîèçâîäíûõ îò ìàòðèö δU è U , ïîëó÷åííûå èç
óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà.
d
(U ∗ δU ) = −ıU ∗ δHU − ıU ∗ HδU + ıU ∗ HδU = −ıU ∗ δHU.
dt
65
Ïðîèíòåãðèðóåì ïîñëåäíåå âûðàæåíèå ïî âðåìåíè t îò 0 äî T .
U ∗ (T )δU (T ) − U ∗ (0)δU (0) = −ı
ZT
U ∗ (t)δH(t)U (t)dt.
0
Êâàíòîâàÿ ñèñòåìà âñåãäà íà÷èíàåò ñâîþ ýâîëþöèþ ñ åäèíè÷íîé ìàòðèöû ýâîëþöèè U (0) = I , çíà÷èò δU (0) = 0. Òîãäà óáèðàÿ âòîðîå ñëàãàåìîå ñëåâà îò
çíàêà ðàâåíñòâà è óìíîæàÿ îáå ÷àñòè ðàâåíñòâà íà U (T ) ñëåâà ïîëó÷èì
ZT
δU (T ) = −ı
U (T )U ∗ (t)δH(t)U (t)dt.
0
Èñïîëüçóåì ñâîéñòâî ìàòðèö ýâîëþöèè êâàíòîâîé ñèñòåìû U (T, 0)U ∗ (t, 0) =
U (T, 0)U (0, t) = U (T, t). Òîãäà ïðåäûäóùåå âûðàæåíèå ïðèìåò âèä
ZT
δU (T ) = −ı
U (T, t)δH(t)U (t)dt.
0
Ïî îïðåäåëåíèþ âàðèàöèîííîé ïðîèçâîäíîé U (T ) ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî
δH(t)
∂U (T )
= −ıU (T, t)
U (t) = −ıU (T, t)Hk U (t).
∂k (s, t)
δk (t)
Ïîäñòàâèì äàííîå âûðàæåíèå â ôîðìóëó
(2.7)
è ïîëó÷èì èñêîìóþ ôîðìóëó.
h
i
1
∂J(s)
∗
∗
=−
−ı Tr [UD U (T, t)Hk U (t)] + ı Tr UD U (T, t)Hk U (t) =
∂k (s, t)
4N
h
i
1 1
∗
∗
=−
Tr [UD U (T, t)Hk U (t)] − Tr UD U (T, t)Hk U (t) =
2N 2ı
1
=−
Im Tr [UD∗ U (T, t)Hk U (t)] ,
2N
ãäå áûëî èñïîëüçîâàíî îïðåäåëåíèå ìíèìîé ÷àñòè Im z = (z − z)/2ı.
 èòîãå äëÿ ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà (2.6) óðàâíåíèÿ ìåòîäà D-MORPH â ñëó÷àå ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J çàïèñûâàþòñÿ â âèäå
dlk (s)
1
=
Im Tr [UD∗ U (T, t)Hk U (t, 0)] ,
ds
2N
k = 1, M ,
l = 1, L.
(2.8)
66
2.3
Âûâîä ïîïðàâîê. Ìåòîä 1
Äëÿ âûâîäà ïîïðàâîê 1 ê ìåòîäó D-MORPH (2.8) çàìåòèì, ÷òî ïðàâàÿ ÷àñòü
ñèñòåìû
(2.5)
çàâèñèò îò âðåìåíè, à ëåâàÿ ÷àñòü íå çàâèñèò. Ýòî ïîçâîëÿåò ïðî-
èíòåãðèðîâàòü îáå ÷àñòè
Ztl
(2.5)
dlk (s)
dt = −
ds
tl−1
ïî t îò tl−1 äî tl
Ztl
∂J(s)
dt,
∂k (s, t)
l = 1, L,
k = 1, M ,
tl−1
÷òîáû ïîëó÷èòü äðóãóþ ôîðìó ñèñòåìû
dlk (s)
1
=−
ds
∆t
Ztl
(2.5):
∂J(s)
dt,
∂k (s, t)
l = 1, L,
k = 1, M .
(2.9)
tl−1
Äàëåå, áóäåì ðàñêëàäûâàòü èíòåãðàë ñ ïðàâîé ñòîðîíû îò çíàêà ðàâåíñòâà
â âûðàæåíèè
(2.9).
Ôóíêöèîíàë J áûë çàäàí â ïðåäûäóùåì ïàðàãðàôå â âèäå
J=
1
1
−
Re Tr [UD∗ U (T, 0)] ,
2 2N
à åãî ïðîèçâîäíàÿ áûëà ïîëó÷åíà â âèäå
1
∂J(s)
=−
Im Tr [UD∗ U (T, t)Hk U (t, 0)] .
∂k (s, t)
2N
Âîçüìåì èíòåãðàë îò ýòîãî âûðàæåíèÿ ïî t îò tl−1 äî tl .
Ztl
1
∂J(s)
dt = −
Im Tr UD∗
∂k (s, t)
2N
tl−1
Ztl
U (T, t)Hk U (t, 0)dt =
tl−1
=−
1
Im Tr UD∗ U (T, 0)
2N
Ztl
U ∗ (t, 0)Hk U (t, 0)dt ,
tl−1
ãäå áûëî èñïîëüçîâàíî ñâîéñòâî îïåðàòîðà ýâîëþöèè U (T, 0) = U (T, t)U (t, 0) [1,
Ñ. 43] è, ñëåäîâàòåëüíî, U (T, t) = U (T, 0)U ∗ (t, 0) äëÿ ïðîèçâîëüíîãî t ∈ [0, T ].
1
Äàííûé âèä ïîïðàâîê áûë îïóáëèêîâàí àâòîðîì â ðàáîòå [4]
67
 îáùåì ñëó÷àå îïåðàòîð ýâîëþöèè êâàíòîâîé ñèñòåìû ñ ãàìèëüòîíèàíîì
P
H(s, t) = H0 + M
k=1 k (s, t)Hk âûðàæàåòñÿ â âèäå (åäèíèöû èçìåðåíèÿ âûáðàíû
òàêèì îáðàçîì, ÷òî ~ = 1) [1, Ñ. 43]
U (T, 0) = T exp
ZT
−ı
H(s, τ )dτ
,
0
ãäå T îïåðàòîð óïîðÿäî÷èâàíèÿ âî âðåìåíè èëè îïåðàòîð Äàéñîíà.
Áëàãîäàðÿ ñâîéñòâàì îïåðàòîðà ýâîëþöèè U ïðåäûäóùåå âûðàæåíèå ìîæíî
çàïèñàòü êàê ïðîèçâåäåíèå îïåðàòîðîâ ýâîëþöèè íà êàæäîì èç îòðåçêîâ [tl−1 , tl ]
t
ZT
ZL−1
U (T, 0) = T exp −ı
H(s, τ )dτ T exp −ı
H(s, τ )dτ · · ·
tL−1
tL−2
Zt1
· · · T exp −ı H(s, τ )dτ .
0
Òàê êàê óïðàâëåíèÿ ÿâëÿþòñÿ êóñî÷íî-ïîñòîÿííûìè ôóíêöèÿìè, òî ãàìèëüòîíèàí íà êàæäîì èç îòðåçêîâ [tl−1 , tl ] äëÿ ïðîèçâîëüíûõ t̃1 è t̃2 èç [tl−1 , tl ]
óäîâëåòâîðÿåò ñâîéñòâó
[H(t̃1 ), H(t̃2 )] = [H0 +
M
X
lk Hk , H0
k=1
+
M
X
lk Hk ] = 0
k=1
â âèäó êîñîñèììåòðè÷íîñòè êîììóòàòîðà ìàòðèö ([A, A] = 0 äëÿ ëþáîé ìàòðèöû A). Ýòî ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî îïåðàòîð óïîðÿäî÷èâàíèÿ âî âðåìåíè âûðîæäàåòñÿ â åäèíè÷íûé îïåðàòîð [1, Ñ. 53] è îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî îïåðàòîð
ýâîëþöèè íà âñåì îòðåçêå [0, T ] ïðåâðàùàåòñÿ â êîìïîçèöèþ îáû÷íûõ îïåðàòîðíûõ ýêñïîíåíò íà êàæäîì èç îòðåçêîâ:
t
ZT
ZL−1
U (T, 0) = exp −ı
H(s, τ )dτ exp −ı
H(s, τ )dτ · · ·
tL−1
tL−2
t1
Z
· · · exp −ı H(s, τ )dτ .
0
68
Èñïîëüçóÿ â î÷åðåäíîé ðàç âîçìîæíîñòü ðàçëîæåíèÿ îïåðàòîðà ýâîëþöèè íà
óïîðÿäî÷åííîå ïðîèçâåäåíèå îïåðàòîðîâ íà êàæäîì èç îòðåçêîâ [tl−1 , tl ]
U (t, 0) = U (t, tl−1 ) · · · U (t1 , 0) = U (t, tl−1 )U (tl−1 , 0),
t ∈ [tl−1 , tl ],
U ∗ (t, 0) = U ∗ (t1 , 0) · · · U ∗ (t, tl−1 ) = U ∗ (tl−1 , 0)U ∗ (t, tl−1 ),
t ∈ [tl−1 , tl ]
ìû ïîëó÷èì
Ztl
U ∗ (t, 0)Hk U (t, 0)dt = U ∗ (tl−1 , 0)
tl−1
Ztl
U ∗ (t, tl−1 )Hk U (t, tl−1 )dtU (tl−1 , 0).
tl−1
Âûðàçèì îïåðàòîð ýâîëþöèè U ÷åðåç îïåðàòîðíóþ ýêñïîíåíòó.
Ztl
U ∗ (t, tl−1 )Hk U (t, tl−1 )dt =
tl−1
Ztl
Ztl
exp [(t − tl−1 )X] Hk exp [−(t − tl−1 )X] dt =
=
tl−1
Adexp[(t−tl−1 )X] Hk dt,
tl−1
PM l
ãäå áûëè ââåäåíû êðàòêèå îáîçíà÷åíèÿ X = ı H0 + k=1 k Hk , AdA B =
ABA−1 . Îïåðàòîð Ad õîðîøî èçâåñòåí â òåîðèè ãðóïï è àëãåáð Ëè è íàçûâàåòñÿ ïðèñîåäèíåííûì ïðåäñòàâëåíèåì ãðóïïû Ëè [260]. Îäíèì âàæíûì äëÿ íàñ
ñâîéñòâîì ýòîãî ïðåäñòàâëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ òîæäåñòâî [1, Ñ. 48]
Adexp(A) B = exp(adA ) ◦ B,
ãäå adA = AB − BA ïðèñîåäèíåííîå ïðåäñòàâëåíèå àëãåáðû Ëè, êîòîðîå
â ñëó÷àå ìàòðè÷íûõ ãðóïï ÿâëÿåòñÿ îáû÷íûì êîììóòàòîðîì ìàòðèö [A, B].
Èñïîëüçóÿ ýòî âûðàæåíèå ìû ïîëó÷àåì
Ztl
Ztl
Adexp[(t−tl−1 )X] Hk dt =
tl−1
tl−1
exp ad(t−tl−1 )X ◦ Hk dt.
69
Ðàçëîæèì îïåðàòîð exp ad(t−tl−1 )X â ðÿä Òåéëîðà è èñïîëüçóåì ñâîéñòâî
îäíîðîäíîñòè ad(t−tl−1 )X = (t − tl−1 ) adX . Òîãäà ïîëó÷èì âûðàæåíèå
exp ad(t−tl−1 )X =
∞
X
(t − tl−1 )j
j=0
j!
adjX .
Çàòåì ïðîèíòåãðèðóåì îò tl−1 äî tl ðåçóëüòàò ïðèìåíåíèÿ exp ad(t−tl−1 )X ◦ Hk .
Ztl
exp ad(t−tl−1 )X
∆t
(∆t)2
◦ Hk dt = ∆t Hk +
[X, Hk ] +
[X, [X, Hk ]] + · · · .
2
3!
tl−1
Ïîñëå âñåõ ïðîâåäåííûõ øàãîâ èíòåãðàë îò ïðîèçâîäíîé ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà
ïî óïðàâëåíèÿì ïðèìåò âèä
Ztl
tl−1
∂J(s)
∆t
∆t
dt = −
Im Tr UD∗ U (T, tl−1 ) Hk +
[ıH(tl ), Hk ]+
∂k (s, t)
2N
2
(∆t)2
+
[ıH(tl ), [ıH(tl ), Hk ]] + · · · U (tl−1 , 0) .
3!
Òàêèì îáðàçîì, ñèñòåìà
(2.5)
ïðèíèìàåò ñâîé îêîí÷àòåëüíûé âèä
dlk
1
∆t
=
Im Tr UD∗ U (T, tl−1 ) Hk +
[ıH(tl ), Hk ]+
ds
2N
2
(∆t)2
+
[ıH(tl ), [ıH(tl ), Hk ]] + · · · U (tl−1 , 0) ,
3!
k = 1, M ,
l = 1, L.
(2.10)
Ñëåäóÿ ïðèíÿòîìó è õîðîøî ñåáÿ çàðåêîìåíäîâàâøåìó ïîäõîäó â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ìåòîäà D-MORPH, ÷èñëåííîå ðåøåíèå ñèñòåìû
(2.10)
íà èíòåðâà-
ëå [0, S] ìåòîäîì ÐóíãåÊóòòû ÷åòâåðòîãî ïîðÿäêà ñ ïåðåìåííûì øàãîì (ìåòîä
ode45 [270] ñðåäû MATLAB) äîëæíî äàòü óïðàâëåíèÿ, êîòîðûå áóäóò áîëåå òî÷íî ðåàëèçîâûâàòü æåëàåìûé îïåðàòîð ýâîëþöèè ê êîíå÷íîìó ìîìåíòó âðåìåíè
T , ÷åì îðèãèíàëüíûé ìåòîä (2.8), îñîáåííî ïðè èñïîëüçîâàíèè áîëüøèõ øàãîâ
∆t. Ýòî óëó÷øåíèå òî÷íîñòè îæèäàåòñÿ èç-çà âêëþ÷åíèÿ â îïòèìèçàöèîííûé
ïðîöåññ äîïîëíèòåëüíîé èíôîðìàöèè î ñèñòåìå èíôîðìàöèè î êîììóòàòîðàõ.
70
Åñòåñòâåííî îæèäàòü, ÷òî ÷åì áîëüøå ÷ëåíîâ èç ïðàâîé ÷àñòè âûâåäåííîãî
âûøå âûðàæåíèÿ âçÿòü äëÿ ïðîâåäåíèÿ âû÷èñëåíèé, òåì áîëåå òî÷íûå ïðèáëèæåííî îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ ìû ïîëó÷èì ïðè s = S . Îäíàêî, êàê ìîæíî
ëåãêî âèäåòü, èñïîëüçîâàíèå ÷ëåíîâ ïîðÿäêà (∆t)j òðåáóåò âû÷èñëåíèÿ âëîæåííûõ êîììóòàòîðîâ ìàòðèö ñèñòåìû ïîðÿäêà j , à ýòà çàäà÷à ÿâëÿåòñÿ êðàéíå
çàòðàòíîé ñ âû÷èñëèòåëüíîé òî÷êè çðåíèÿ. Ïîýòîìó ìàêñèìàëüíûé ïîðÿäîê
÷ëåíîâ ñïðàâà îò çíàêà ðàâåíñòâà â ñèñòåìå
(2.10)
äîëæåí áûòü âûáðàí òàêèì
îáðàçîì, ÷òîáû óñêîðåíèå àëãîðèòìà ïðåâîñõîäèëî çàìåäëåíèå, âûçâàííîå äîïîëíèòåëüíûìè âû÷èñëåíèÿìè êîììóòàòîðîâ.
2.4
Âûâîä ïîïðàâîê. Ìåòîä 2
Èìååòñÿ, îäíàêî, åùå îäèí ïóòü äëÿ âûâîäà íåñêîëüêî äðóãèõ êîððåêöèé.
Ýòîò ïóòü îñíîâàí íà èñïîëüçîâàíèè òî÷íîé ôîðìû ïðîèçâîäíîé ýêñïîíåíöèàëüíîãî îòîáðàæåíèÿ exp â ïðîèçâîëüíîé ãðóïïå Ëè, â ÷àñòíîñòè, â ñëó÷àå
ìàòðè÷íûõ ãðóïï Ëè, ïðîèçâîäíîé îáû÷íîé ìàòðè÷íîé ýêñïîíåíòû 2 .
 òåîðèè àëãåáð è ãðóïï Ëè äîêàçàíà ôîðìóëà äëÿ âû÷èñëåíèÿ ïðîèçâîäíîé
ïî íåêîòîðîìó ïàðàìåòðó t ýêñïîíåíöèàëüíîãî îòîáðàæåíèÿ exp(X) ýëåìåíòà
àëãåáðû Ëè X , êîòîðûé çàâèñèò îò ïàðàìåòðà t [260]:
1 − exp(− adX ) dX
d
◦
exp(X) = exp(X)
,
dt
adX
dt
(2.11)
ãäå êàê è ðàíüøå ñèìâîë adX îáîçíà÷àåò ïðèñîåäèíåííîå ïðåäñòàâëåíèå àëãåáðû Ëè, êîòîðîå äåéñòâóåò íà ëþáîé ýëåìåíò Y àëãåáðû Ëè, êàê adX Y =
= [X, Y ] = XY − Y X êîììóòàòîð äâóõ ýëåìåíòîâ X è Y . Ïîñëå ðàçëîæåíèÿ
ýêñïîíåíöèàëüíîãî îòîáðàæåíèÿ â ðÿä Òåéëîðà îêîëî íóëÿ, ìîæíî çàïèñàòü
exp(− adX ) =
∞
X
(−1)n
n=0
n!
(adX )n .
Äàëåå,
∞
∞
X
X
1 − exp(− adX )
(−1)n
(−1)n+1
n−1
=−
(adX )
=−
(adX )n .
adX
n!
(n + 1)!
n=1
n=0
2
Äàííûé âèä ïîïðàâîê áûë îïóáëèêîâàí àâòîðîì â ðàáîòå [5]
71
È ïîëó÷àåì
∞
1 − exp(− adX ) X (−1)n
(adX )n .
=
adX
(n
+
1)!
n=0
Ïîäñòàâèì ïîëó÷åííîå âûðàæåíèå â ôîðìóëó äëÿ âû÷èñëåíèÿ òî÷íîé ïðîèçâîäíîé îò ýêñïîíåíöèàëüíîãî îòîáðàæåíèÿ
(2.11)
è îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷èì
∞
X
(−1)n
dX
d
exp(X) = exp(X)
(adX )n ◦
.
dt
(n
+
1)!
dt
n=0
(2.12)
Òàêèì îáðàçîì, êëàññè÷åñêàÿ ôîðìóëà äëÿ ïðîèçâîäíîé (ïîëó÷åííàÿ ïî àíàëîãèè ñî ñêàëÿðíûì ñëó÷àåì ýêñïîíåíöèàëüíîé ôóíêöèè ñêàëÿðíîãî àðãóìåíòà)
dX
d
exp(X) = exp(X)
.
dt
dt
â ðàìêàõ òåîðèè àëãåáð Ëè èìååò ìåñòî òîëüêî â òîì ñëó÷àå, êîãäà âûïîëíÿåòñÿ
adX
dX
= 0,
dt
òî åñòü ýëåìåíò X àëãåáðû Ëè êîììóòèðóåò (ïåðåñòàíîâî÷åí) ñî ñâîåé ïðîèçâîäíîé ïî ïàðàìåòðó t, ÷òî âûïîëíÿåòñÿ, íàïðèìåð, â ñëó÷àå X = f (t)A, ãäå
f (t) ñêàëÿðíàÿ ôóíêöèÿ, à A ýëåìåíò àëãåáðû Ëè, íå çàâèñÿùèé îò ïàðàìåòðà t.  îñòàëüíûõ ñëó÷àÿõ (ãàìèëüòîíèàí H èç äàííîé ðàáîòû ïîïàäàåò
â èõ ÷èñëî), î÷åâèäíî, íåîáõîäèìî ïîëüçîâàòüñÿ ïîëíîé ôîðìóëîé (2.12), âû÷èñëåíèå ÷ëåíîâ êîòîðîé òðåáóåò âû÷èñëåíèÿ âëîæåííûõ êîììóòàòîðîâ, ÷òî, â
ñâîþ î÷åðåäü, òðåáóåò áîëüøèõ âû÷èñëèòåëüíûõ çàòðàò. Ïîýòîìó íà ïðàêòèêå
ïðèäåòñÿ áðàòü òîëüêî êîíå÷íîå ÷èñëî ÷ëåíîâ â âûðàæåíèè (2.12).
Åñëè èñïîëüçîâàòü âûðàæåíèå (2.12) äëÿ ïðîèçâîäíîé ýêñïîíåíòû â ôîðìóëàõ òåîðèè îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ, â ÷àñòíîñòè, â ìåòîäå
D-MORPH (2.5), òî ïîëó÷àþòñÿ ôîðìóëû, ïîõîæèå íà ôîðìóëû ïîïðàâîê (2.10)
èç ïðåäûäóùåãî ïàðàãðàôà, êîòîðûå ôàêòè÷åñêè áûëè ïîëó÷åíû ïðè èñïîëüçîâàíèè ëèøü ïåðâîãî ÷ëåíà îò ïîëíîé ôîðìóëû ïðîèçâîäíîé (2.12). Ïðèìå÷àòåëüíî, ÷òî çà ñ÷åò äàëüíåéøåãî èíòåãðèðîâàíèÿ, ïðîâåäåííîãî ïðè âûâîäå (2.10) â êîíå÷íîì ñ÷åòå ïîëó÷àþòñÿ àíàëîãè÷íûå ôîðìóëû, êàê ïðè èñïîëüçîâàíèè (2.12). Îäíàêî, èìåþòñÿ îòëè÷èÿ, ïîýòîìó ïðèâåäåì çäåñü âûâîä òàêèõ
ôîðìóë è ôîðìàëüíîå ñðàâíåíèå ñ ðàíåå ïîëó÷åííûìè ìåòîäàìè (2.8) è (2.10).
72
Ïðîèçâîäíàÿ îò ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J ïî êóñî÷íî-ïîñòîÿííûì óïðàâëåíèÿì lk íà îòðåçêå [tl−1 , tl ], êàê áûëî ïîêàçàíî â ïðåäûäóùèõ ïàðàãðàôàõ, ìîæåò áûòü çàïèñàíà êàê
∂J
1
∂U
(t
,
t
)
l l−1
=−
U (tl−1 , 0) .
Re Tr UD∗ U (T, tl )
l
2N
∂k
∂lk
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ïîëíîé ôîðìû ïðîèçâîäíîé
(2.12)
(2.13)
ïîëó÷èì
∞
X
∂U (tl , tl−1 )
∂
(ı∆t)n
= l exp(−ı∆tH) = −ı∆t exp(−ı∆tH)
(adH )n ◦ Hk ,
l
(n + 1)!
∂k
∂k
n=0
ãäå H = H0 +
PM
l
k=1 k Hk
ãàìèëüòîíèàí ñèñòåìû íà îòðåçêå [tl−1 , tl ]. Ïîäñòàâ-
ëÿÿ äàííîå âûðàæåíèÿ â ôîðìóëó
(2.13),
ïîëó÷àåì
∞
X
∂J
∆t
(ı∆t)n
∗
=
−
Im
Tr
U
U
(T,
t
)
(adH )n ◦ Hk
l−1
D
l
2d
(n + 1)!
∂k
n=0
!
!
U (tl−1 , 0) .
È òîãäà óðàâíåíèÿ óëó÷øåííîãî ìåòîäà D-MORPH áóäóò èìåòü âèä
dlk
∆t
∆t
=
Im Tr UD∗ U (T, tl−1 ) Hk +
[ıH(tl ), Hk ]+
ds
2N
2
(∆t)2
+
[ıH(tl ), [ıH(tl ), Hk ]] + · · · U (tl−1 , 0) ,
3!
k = 1, M ,
Ìîæíî ëåãêî âèäåòü, ÷òî îáå ôîðìóëû
(2.10)
è
(2.14),
l = 1, L.
(2.14)
õîòÿ è âûâåäåíû ðàç-
íûìè ñïîñîáàìè, îòëè÷àþòñÿ ëèøü íàëè÷èåì ìíîæèòåëÿ ∆t â ôîðìóëå
(2.14).
Ïîýòîìó âîçíèêàåò âîïðîñ, êàêàÿ èç äàííûõ ôîðìóë äàåò ëó÷øèå ðåçóëüòàòû:
(2.10)
èëè
(2.14).
Âëèÿåò ëè íàëè÷èå èëè îòñóòñòâèå ìíîæèòåëÿ ∆t íà ñêîðîñòü
ñõîäèìîñòè îïòèìèçàöèîííîãî ïðîöåññà?
Ôîðìàëüíî â ìåòîäå
ôîðìû ïðîèçâîäíîé
(2.10)
(2.12),
áûë èñïîëüçîâàí òîëüêî ÷ëåí ñ n = 0 èç ïîëíîé
÷òî àíàëîãè÷íî èñïîëüçîâàíèþ êëàññè÷åñêîé ôîð-
ìóëû äëÿ ïðîèçâîäíîé ñêàëÿðíîé ýêñïîíåíòû. Ìîæíî ëåãêî âèäåòü, ÷òî îøèáêà òàêîãî ïðèáëèæåíèÿ èìååò ïîðÿäîê O(∆t) è îíà ìîæåò âëèÿòü íà òî÷íîñòü
âû÷èñëåíèé, îñîáåííî ïðè áîëüøèõ øàãàõ ∆t. Ïîýòîìó èñïîëüçîâàíèå äîïîëíèòåëüíûõ ÷ëåíîâ ïîòåíöèàëüíî ñäåëàåò ïðîöåññ îïòèìèçàöèè áîëåå òî÷íûì.
73
Íîâàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé
(2.14)
àíàëîãè÷íà ñèñòåìå
(2.10),
ïîëó÷åííîé â
ïðåäûäóùåì ïàðàãðàôå, çà èñêëþ÷åíèåì íàëè÷èÿ ìíîæèòåëÿ ∆t è òîãî ôàêòà,
÷òî íîâàÿ ñèñòåìà áîëåå òî÷íî îïèñûâàåò ïðîèçâîäíóþ îïåðàòîðíîé ýêñïîíåíòû. Ïîýòîìó ñ òåîðåòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ ìîæíî îæèäàòü, ÷òî ìåòîä
äàñò áîëåå òî÷íûå ðåçóëüòàòû ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòîäîì
(2.10),
(2.14)
êîòîðûé â ñâîþ
î÷åðåäü, êàê îæèäàåòñÿ, áóäåò òî÷íåå, ÷åì îðèãèíàëüíûé ìåòîä D-MORPH (2.8).
Èñõîäÿ èç ýòîãî èìåþòñÿ íàäåæäû, ÷òî ìåòîä (2.14) íàéäåò ïî÷òè-îïòèìàëüíûå
óïðàâëåíèÿ áûñòðåå, ÷åì ìåòîä
ìåòîäà D-MORPH
2.5
(2.8),
(2.10),
êîòîðûé, â ñâîþ î÷åðåäü, áóäåò áûñòðåå
õîòÿ áû â íåêîòîðûõ äèàïàçîíàõ çíà÷åíèé øàãà ∆t.
Ôîðìàëüíîå ñðàâíåíèå ìåòîäîâ
Êàê áûëî óêàçàíî âûøå, ïðèñîåäèíåííîå ïðåäñòàâëåíèå àëãåáðû Ëè adX
äåéñòâóåò íà ïðîèçâîëüíûé ýëåìåíò Y àëãåáðû Ëè ñëåäóþùèì îáðàçîì.
adX Y = [X, Y ] = XY − Y X.
Èçâåñòíî [7], ÷òî ïðîèçâîëüíàÿ íîðìà || · || îïåðàòîðà adX â íîðìèðîâàííîì
ïðîñòðàíñòâå (à àëãåáðà Ëè ÿâëÿåòñÿ íîðìèðîâàííûì ïðîñòðàíñòâîì [260]) îáëàäàåò ñëåäóþùèì ñâîéñòâîì äëÿ ëþáûõ X , Y èç àëãåáðû Ëè
|| adX Y || ≤ || adX || · ||Y ||,
ïðè÷åì ýòî íåðàâåíñòâî íåëüçÿ óëó÷øèòü, ò. å. ÷èñëî || adX || íàèìåíüøåå,
êîòîðîå ïîäõîäèò äëÿ âñåõ Y . Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîëüçóÿñü äðóãèìè èçâåñòíûìè
ñâîéñòâàìè íîðìû (ñì. [7]), ìîæíî çàïèñàòü
|| adX Y || = ||XY −Y X|| ≤ ||XY ||+||Y X|| ≤ ||X||||Y ||+||Y ||||X|| = 2||X||||Y ||.
Èñõîäÿ èç ýòèõ äâóõ ñîîáðàæåíèé ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî íîðìà || adX || óäîâëåòâîðÿåò íåðàâåíñòâó
|| adX || ≤ 2||X||.
74
 ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ â àëãåáðå Ëè íîðìû Ôðîáåíèóñà ||A||F =
p
Tr(A∗ A)
äàííàÿ îöåíêà íåìíîãî óëó÷øàåòñÿ [74]:
|| adX ||F ≤
√
2||X||F .
Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî îöåíèòü ïîãðåøíîñòü ïðè îòáðàñûâàíèè ÷ëåíîâ â
âûðàæåíèè ïðîèçâîäíîé ýêñïîíåíöèàëüíîãî îòîáðàæåíèÿ â ìåòîäå
(2.14)
è ïðè
îòáðàñûâàíèè ÷ëåíîâ, ïîëó÷åííûõ ïîñëå èíòåãðèðîâàíèÿ, â ìåòîäå (2.10), ÷òî, â
ñëó÷àå èíòåãðèðîâàíèÿ äèíàìèêè êâàíòîâîé ñèñòåìû, ìîæåò ïîçâîëèòü èñïîëüçîâàòü áîëüøèå øàãè ∆t ïî âðåìåíè ïðè ñîõðàíåíèè òî÷íîñòè âû÷èñëåíèé.
Ñíà÷àëà îöåíèì ôîðìàëüíî íîðìó ïðàâûõ ÷àñòåé ñèñòåì (2.10) è (2.14). Äëÿ
ìåòîäà
(2.10)
îöåíêà ïîëó÷àåòñÿ ÷åðåç ñëåäóþùóþ öåïî÷êó ðàâåíñòâ è íåðà-
âåíñòâ ñ èñïîëüçîâàíèåì íåðàâåíñòâà ÊîøèÁóíÿêîâñêîãî [7].
2 N n=0 (n + 1)!
∞ √
X
||Hk ||F
( 2∆t)n+1
= √
||H||n+1
=
F
2 2N ∆t||H||F n=0 (n + 1)!
√
||Hk ||F
exp
2∆t||H||F − 1 .
= √
2 2N ∆t||H||F
Äëÿ ìåòîäà
(2.14)
àíàëîãè÷íûå ðàññóæäåíèÿ ïðèâîäÿò ê îöåíêå
2 N n=0 (n + 1)!
∞ √
X
( 2∆t)n+1
||Hk ||F
√
||H||n+1
=
F
2 2N ||H||F n=0 (n + 1)!
√
||Hk ||F
= √
exp
2∆t||H||F − 1 .
2 2N ||H||F
Î÷åâèäíîå ðàçëè÷èå ñîñòîèò â òîì, ÷òî â ìåòîäå
ñÿ ê íóëþ ïðè ∆t → 0, à â ìåòîäå
(2.10)
(2.14)
ïðîèçâîäíàÿ ñòðåìèò-
ïðîèçâîäíàÿ ìîæåò áûòü îòëè÷íà îò
íóëÿ. Çíà÷èò ïðè èñïîëüçîâàíèè î÷åíü ìàëûõ øàãîâ ∆t ìåòîä
(2.14)
òåîðåòè-
÷åñêè áóäåò äàâàòü ìàëûå èçìåíåíèÿ óïðàâëåíèé lk è, ñëåäîâàòåëüíî, ïðîöåññ
îïòèìèçàöèè äîëæåí áóäåò èäòè äîëüøå, ÷åì ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà
(2.10).
75
Àíàëîãè÷íî, ïðè èñïîëüçîâàíèè áîëüøèõ øàãîâ ∆t ìåòîä
(2.14)
òåîðåòè÷åñêè
áóäåò äàâàòü áîëüøèå èçìåíåíèÿ lk è â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ìîæåò ïîçâîëèòü
áûñòðåå ïðèáëèçèòüñÿ ê îïòèìóìó ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà J , ÷åì ìåòîä
(2.10).
Ñðàâíèì ïîãðåøíîñòü ïðè èñïîëüçîâàíèè òîëüêî êîììóòàòîðîâ äî ïîðÿäêà
N − 1 âêëþ÷èòåëüíî, òî åñòü ïðè îòáðàñûâàíèè ÷ëåíîâ íà÷èíàÿ ñ n ≥ N . Äëÿ
ìåòîäà (2.10) î÷åâèäíûå ðàññóæäåíèÿ ïðèâîäÿò ê ñëåäóþùåìó âûðàæåíèþ.
√
≤ 2√2N ∆t||H||
(n
+
1)!
F n=N
N
√
(√2∆t||H|| )N +1
||Hk ||F
F
exp
=
= √
2∆t||H||F
(N + 1)!
2 2N ∆t||H||F
√
(√2||H|| )N +1 ∆tN
||Hk ||F
F
= √
exp
2∆t||H||F
.
(N + 1)!
2 2N ||H||F
 ìåòîäå
(2.14)
àíàëîãè÷íî ïîëó÷àåì
√
≤ 2√2N ||H||
(n
+
1)!
F n=N
N
(√2∆t||H|| )N +1
√
||Hk ||F
F
2∆t||H||F
.
= √
exp
(N + 1)!
2 2N ||H||F
Òàêèì îáðàçîì, ïðè èñïîëüçîâàíèè îäèíàêîâîãî êîëè÷åñòâà N ÷ëåíîâ â àïïðîêñèìàíòå, ôîðìóëà ìåòîäà (2.14) ñòðåìèòñÿ ê íóëþ íåìíîãî áûñòðåå ïðè ∆t → 0,
÷åì â ìåòîäå
(2.10),
è, ñëåäîâàòåëüíî, äàåò ìåíüøóþ ïîãðåøíîñòü.
Çàêëþ÷åíèå ê ãëàâå
Ïîëó÷åííûå â äàííîé ãëàâå äâå âåðñèè óëó÷øåííîãî ìåòîäà D-MORPH (2.10)
è
(2.14)
äëÿ ïîñòðîåíèÿ êâàíòîâîãî îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â çàäà÷å íàèáî-
ëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ òåîðåòè÷åñêè îáåñïå÷èâàþò áîëüøóþ
òî÷íîñòü ïðè âûïîëíåíèè ïðîöåññà îïòèìèçàöèè, ÷åì ïðè èñïîëüçîâàíèè îðèãèíàëüíîãî ìåòîäà D-MORPH. Îæèäàåòñÿ, ÷òî èñïîëüçîâàíèå óëó÷øåííîãî ìåòîäà íà ïðàêòèêå ïîçâîëèò ñîêðàòèòü âðåìÿ, çàòðà÷åííîå íà ïîñòðîåíèå îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, ÷òî âñåãäà ïðèâåòñòâóåòñÿ.
76
Ãëàâà 3
×èñëåííûé ýêñïåðèìåíò
 äàííîé ãëàâå ïðîâîäèòñÿ ñåðèÿ ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ äëÿ èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ ïîïðàâîê ðàçëè÷íûõ ïîðÿäêîâ ìàëîñòè ïî ∆t ê ìåòîäó D-MORPH
íà âðåìÿ, çàòðà÷åííîå íà ïîèñê îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, â çàäà÷å ðåàëèçàöèè
íåñêîëüêèõ èçâåñòíûõ êâàíòîâûõ ãåéòîâ â ñèñòåìå, ñîñòîÿùåé èç äâóõ ÷àñòèö
ñî ñïèíîì 1/2, ïîìåùåííûõ â ìàãíèòíîå ïîëå.
3.1
Ñèñòåìà äëÿ ýêñïåðèìåíòà
×òîáû ïîäòâåðäèòü îæèäàåìîå óñêîðåíèå îò èñïîëüçîâàíèÿ ìåòîäîâ
è
(2.14)
(2.10)
ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòîäîì D-MORPH, âîçüìåì êâàíòîâóþ ñèñòåìó, ñî-
ñòîÿùóþ èç äâóõ ÷àñòèö ñî ñïèíîì 1/2, ïîìåùåííóþ â ïîñòîÿííîå ìàãíèòíîå
ïîëå, îðèåíòèðîâàííîå âäîëü îñè Oz , è â íàñòðàèâàåìûå ìàãíèòíûå ïîëÿ (òî
åñòü ïîëÿ, êîòîðûå ìîæíî âêëþ÷èòü, èçìåíèòü èíòåíñèâíîñòü è âûêëþ÷èòü ïî
íàøåìó æåëàíèþ), îðèåíòèðîâàííûå âäîëü îñè Ox, ïî îäíîìó íà êàæäûé êóáèò. Èçâåñòíî [2], ÷òî îäíà ÷àñòèöà ñî ñïèíîì 1/2 â ïîñòîÿííîì ìàãíèòíîì ïîëå ìîæåò áûòü â îäíîì èç äâóõ íàáëþäàåìûõ ñîñòîÿíèé: ñïèí íàïðàâëåí âäîëü
ïîñòîÿííîãî ïîëÿ è ñïèí íàïðàâëåí â ïðîòèâîïîëîæíóþ ïîñòîÿííîìó ïîëþ ñòîðîíó (òî åñòü èìååòñÿ ïîëîæèòåëüíàÿ è îòðèöàòåëüíàÿ ïðîåêöèè ñîáñòâåííîãî
ìàãíèòíîãî ìîìåíòà ÷àñòèöû íà íàïðàâëåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ñîîòâåòñòâåííî). Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ÷àñòèöà ñî ñïèíîì 1/2 â ïîñòîÿííîì
ìàãíèòíîì ïîëå èìååò âñåãî äâà âîçìîæíûõ êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèÿ è çàäàíèå
ñïèíà ÷àñòèöû ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåò åå ñîñòîÿíèå. Òî åñòü ãèëüáåðòîâî ïðîñòðàíñòâî ñîñòîÿíèé îäíîé ÷àñòèöû H2 äâóìåðíîå ñ áàçèñíûìè ñîñòîÿíèÿìè
ñïèí-ââåðõ |+i è ñïèí-âíèç |−i. Òîãäà ñîâîêóïíîñòü äâóõ ÷àñòèö ñî ñïèíîì
1/2 èìååò ãèëüáåðòîâî ïðîñòðàíñòâî H = H2 ⊗ H2 ðàçìåðíîñòè ÷åòûðå ñ áàçèñíûìè ñîñòîÿíèÿìè | + +i, | + −i, | − +i, | − −i.
77
Äàííàÿ ñèñòåìà îïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùèì áåçðàçìåðíûì ãàìèëüòîíèàíîì [190],
ãäå åäèíèöû èçìåðåíèÿ âûáðàíû òàêèì îáðàçîì, ÷òî ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà ~ = 1,
à âçàèìîäåéñòâèå êóáèòîâ ìåæäó ñîáîé çàäàåòñÿ â ôîðìå Ãåéçåíáåðãà:
H=
2
X
Szi ωi
+
i=1
2
X
k Sxk + Cx(12) Sx1 Sx2 + Cy(12) Sy1 Sy2 + Cz(12) Sz1 Sz2 ,
k=1
ãäå ïàðàìåòðû ω1 = 20, ω2 = 30 îïèñûâàþò ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ ñïèíîâ êâàíòî(12)
âûõ ÷àñòèö ñ ïîñòîÿííûì ìàãíèòíûì ïîëåì ïî îñè Oz , ïàðàìåòðû Cx
= 110,
(12)
(12)
Cy = 120, Cz = 130 îïèñûâàþò ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ ñïèíîâ êâàíòîâûõ
÷àñòèö ìåæäó ñîáîé ïî îñÿì Ox, Oy è Oz , ñîîòâåòñòâåííî, äâóõ÷àñòè÷íûå ìàòðèöû Si1 = Si ⊗ I , Si2 = I ⊗ Si , i = x, y, z çàäàíû ÷åðåç òåíçîðíîå ïðîèçâåäåíèå
ñëåäóþùèõ îäíî÷àñòè÷íûõ ñïèíîâûõ ìàòðèö Ïàóëè ïî ñîîòâåòñòâóþùèì îñÿì
è åäèíè÷íîé ìàòðèöû:
1
Sx = √
2
!
0 1
1
, Sy = √
1 0
2
!
0 −ı
1
, Sz = √
ı 0
2
!
1 0
,I =
0 −1
!
1 0
.
0 1
Ïàðàìåòðû 1 , 2 ÿâëÿþòñÿ óïðàâëåíèÿìè è ñèìâîëèçèðóþò íàñòðàèâàåìóþ ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ ïåðâîãî è âòîðîãî ìàãíèòíûõ ïîëåé âäîëü îñè Ox ñî ñïèíàìè
ïåðâîé è âòîðîé ÷àñòèöû, ñîîòâåòñòâåííî.
 òåðìèíàõ èñïîëüçîâàííûõ ðàíåå èìååì
H0 =
H1 =
2
X
Szi ωi + Cx(12) Sx1 Sx2 + Cy(12) Sy1 Sy2 + Cz(12) Sz1 Sz2 ,
i=1
Sx1 ,
H2 = Sx2 .
Îñîáàÿ ñòðóêòóðà äàííîãî ãàìèëüòîíèàíà ïðèâîäèò ê óïðîùåíèþ ïðè âû÷èñëåíèè êîììóòàòîðîâ:
[H(t), Hk ] = [H0 +
2
X
i=1
i (t)Hi , Hk ] = [H0 , Hk ].
78
Ìîæíî ëåãêî ïðîâåðèòü, ÷òî êâàíòîâàÿ ñèñòåìà ñ òàêèì ãàìèëüòîíèàíîì
îáëàäàåò ïîëíîé óïðàâëÿåìîñòüþ, òàê êàê ðàçìåðíîñòü àëãåáðû Ëè, îáðàçîâàííîé ìàòðèöàìè ñèñòåìû è êîììóòàòîðàìè äî òðåòüåãî ïîðÿäêà âêëþ÷èòåëüíî,
ðàâíà ïÿòíàäöàòè, òî åñòü äèíàìè÷åñêàÿ àëãåáðà Ëè åñòü àëãåáðà Ëè su(16).
3.2
Ñðàâíèâàåìûå ìåòîäû
Äëÿ ñðàâíåíèÿ áûëè âûáðàíû ìåòîäû (2.10) è (2.14) áåç ïîïðàâîê 1 (êîòîðûå
(0)
ìû îáîçíà÷èì DM(0) è DM∆ , ñîîòâåòñòâåííî)
DM
(0)
dlk
1
=
Im Tr (UD∗ U (T, tl−1 )Hk U (tl−1 , 0)) ,
ds
2N
l
dk
∆t
=
Im Tr (UD∗ U (T, tl−1 )Hk U (tl−1 , 0)) ,
ds
2N
:
(0)
DM∆ :
(3.1)
(3.2)
ïåðâûé èç êîòîðûõ (DM(0) ) ÿâëÿåòñÿ îáû÷íûì ìåòîäîì D-MORPH, ìåòîäû ñ
(1)
ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà 2 (êîòîðûå ìû îáîçíà÷èì DM(1) è DM∆ )
DM
(1)
dlk
1
ı∆t
∗
:
=
Im Tr UD U (T, tl−1 ) Hk +
[H(tl ), Hk ] U (tl−1 , 0) ,
ds
2N
2
(3.3)
(1)
DM∆
∆t
ı∆t
dlk
=
Im Tr UD∗ U (T, tl−1 ) Hk +
[H, Hk ] U (tl−1 , 0)
:
ds
2N
2
(3.4)
è ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà 3 (êîòîðûå ìû îáîçíà÷èì DM(2) è
(2)
DM∆ , ñîîòâåòñòâåííî)
DM(2) :
(2)
DM∆ :
dlk
1
ı∆t
∗
=
Im Tr UD U (T, tl−1 ) Hk +
[H(tl ), Hk ] −
ds
2N
2
(∆t)2
−
[H(tl ), [H(tl ), Hk ]] U (tl−1 , 0) ,
6
dlk
∆t
ı∆t
=
Im Tr UD∗ U (T, tl−1 ) Hk +
[H(tl ), Hk ] −
ds
2N
2
(∆t)2
−
[H(tl ), [H(tl ), Hk ]] U (tl−1 , 0) ,
6
Ñðàâíåíèå äàííûõ ìåòîäîâ áûëî îïóëèêîâàíî àâòîðîì â ðàáîòàõ [4,5]
Ñðàâíåíèå äàííûõ ìåòîäîâ áûëî îïóëèêîâàíî àâòîðîì â ðàáîòàõ [4,5]
3 Ñðàâíåíèå äàííûõ ìåòîäîâ áûëî îïóëèêîâàíî àâòîðîì â ðàáîòå [6]
1
2
(3.5)
(3.6)
79
ãäå k = 1, . . . , M , l = 1, . . . , L. Äàííûå ñèñòåìû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñèñòåìû
îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ðàçìåðíîñòè M · L = 2L êàæäàÿ.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî â äàííûõ ñèñòåìàõ óðàâíåíèé N = 4, òàê êàê ïðîñòðàíñòâî
ñîñòîÿíèé ñèñòåìû èç äâóõ êóáèòîâ èìååò ðàçìåðíîñòü 22 = 4, êàê òåíçîðíîå
ïðîèçâåäåíèå ïðîñòðàíñòâ îòäåëüíûõ êóáèòîâ, êàæäîå èç êîòîðûõ èìååò ðàçìåðíîñòü 2.
3.3
Ñòðóêòóðà ýêñïåðèìåíòîâ
Áóäåì ïðîâîäèòü ÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû ïî ïîñòðîåíèþ îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé äëÿ íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè ñëåäóþùèõ êâàíòîâûõ äâóõêóáèòíûõ
ëîãè÷åñêèõ ãåéòîâ.
1
ıπ 0
UD1 = e 4
0
0
UD3 = e
ı3π
8
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2 (1 + ı)
1
2 (1 − ı)
0
0
0
0
1
0
0
,
1
0
0
1
2 (1 − ı)
1
2 (1 + ı)
0
1
ıπ 0
UD2 = e 4
0
0
0
0
,
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
,
0
1
1 1 1 1
1
−1
1
−1
1
,
UD4 =
2 1 1 −1 −1
1 −1 −1 1
Ýòè ãåéòû èçâåñòíû ïîä èìåíàìè: ãåéò CNOT êîíòðîëèðóåìîãî îòðèöàíèÿ, ãåéò
SWAP îáìåíà çíà÷åíèÿìè ìåæäó äâóìÿ êóáèòàìè, ãåéò
SWAP è ãåéò Àäàìàðà
H2 ,
√
SWAP
êîðíÿ èç ãåéòà
ïðèìåíåííûé ñðàçó ê îáîèì êóáèòàì (òî åñòü ãåéò
⊗ H1 ), ñîîòâåòñòâåííî. Ìîæíî çàìåòèòü, ÷òî âñå ÷åòûðå ìàòðèöû äåéñòâèòåëüíî ÿâëÿþòñÿ óíèòàðíûìè èç ãðóïïû Ëè U (4).  äåéñòâèòåëüíîñòè, áëàãîäàðÿ íàëè÷èþ ìíîæèòåëåé ïåðåä ìàòðèöàìè, äàííûå ìàòðèöû ïðèíàäëåæàò
íå òîëüêî ãðóïïå U (4), íî è ñïåöèàëüíîé ãðóïïå SU (4) óíèòàðíûõ ìàòðèö ñ
åäèíè÷íûì îïðåäåëèòåëåì, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ óæå ñâÿçíîé ãðóïïîé â òåðìèíàõ
òîïîëîãèè [260]. Ðàáîòà ñ ìàòðèöàìè èìåííî èç ãðóïïû SU (4) çà÷àñòóþ ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü áîëåå ïðîñòûå ôîðìóëû è óëó÷øàåò ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèé.
H1
80
Äëÿ ÷èñëåííîãî ðåøåíèÿ ñèñòåì îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
(3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5), (3.6)
áóäåì èñïîëüçîâàòü âñòðîåííûé â ñðåäó
MATLAB ìåòîä ode45 [270], êîòîðûé ðåàëèçóåò ìåòîä èíòåãðèðîâàíèÿ ñ ïåðåìåííûì øàãîì çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ äâóõ ìåòîäîâ ÐóíãåÊóòòû ÷åòâåðòîãî è
ïÿòîãî ïîðÿäêîâ òî÷íîñòè. Ïàðàìåòðû àáñîëþòíîé òîëåðàíòíîñòè îøèáêè (AT)
è îòíîñèòåëüíîé òîëåðàíòíîñòè îøèáêè (RT) óñòàíîâèì ðàâíûìè 10−4 , ÷òî áóäåò äîñòàòî÷íî äëÿ ïîñòðîåíèÿ òî÷íûõ ãåéòîâ, òàê êàê ýòè ÷èñëà ïðåäñòàâëÿþò
íå òî÷íîñòü ïîñòðîåíèÿ ãåéòîâ, à òî÷íîñòü ïîñòðîåíèÿ óïðàâëåíèé.
Äëÿ ãåéòîâ CNOT è
H2
íà÷àëüíûå óïðàâëåíèÿ âîçüìåì íóëåâûìè âñþäó íà
îòðåçêå [0, T ], â òî âðåìÿ êàê äëÿ ãåéòîâ SWAP è
√
SWAP
íà÷àëüíûå óïðàâëå-
íèÿ ïîëó÷èì äèñêðåòèçàöèåé íà îòðåçêå [0, T ] ñ øàãîì ∆t ôóíêöèè 10−1 sin(2πt/T )
èç-çà òîãî, ÷òî íóëåâûå íà÷àëüíûå óïðàâëåíèÿ â äàííûõ ñëó÷àÿõ íå ïîçâîëÿþò
ïðîöåññó îïòèìèçàöèè ñîéòèñü ê îïòèìóìó.
Êîíå÷íîå âðåìÿ íà ðåàëèçàöèþ ãåéòîâ T âîçüìåì èç ìíîæåñòâà çíà÷åíèé 0.1,
0.5, 1, 5, 10. Êîëè÷åñòâî èíòåðâàëîâ L ðàçáèåíèÿ îòðåçêà [0, T ] áóäåì áðàòü èç
ìíîæåñòâà 50, 60, 70,..., 380, 390, 400. Äëèíó îòðåçêà èíòåãðèðîâàíèÿ S âîçüìåì
î÷åíü áîëüøîé è ðàâíîé 1012 , ÷òîáû âñå öåëè îïòèìèçàöèè áûëè äîñòèãíóòû äî
òîãî, êàê ÷èñëåííîå èíòåãðèðîâàíèå äîéäåò äî êîíöà îòðåçêà [0, S].
Áóäåì ïðîâîäèòü ñðàâíåíèå âðåìåíè, êîòîðîå ïîòðåáóåòñÿ äëÿ ÷èñëåííîãî
ðåøåíèÿ âûøåóïîìÿíóòûõ ñèñòåì äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé íà îòðåçêå
[0, S] ñ îñòàíîâêîé ïðîöåññà èíòåãðèðîâàíèÿ â òîò ìîìåíò, êîãäà îøèáêà â ðåàëèçàöèè ãåéòîâ ñòàíîâèòñÿ ìåíüøå, ÷åì 10−7 , ëèáî êîãäà ÷èñëî øàãîâ èíòåãðèðîâàíèÿ ñòàíîâèòñÿ áîëüøå 10000 (ìåòîäû ÐóíãåÊóòòû äàþò îñìûñëåííûå ðåçóëüòàòû òîëüêî äî 10000 øàãîâ èíòåãðèðîâàíèÿ, äàëåå íàêîïëåííûå ëîêàëüíûå
îøèáêè íå ïîçâîëÿþò ñ÷èòàòü ðåçóëüòàòû ïðàâäîïîäîáíûìè [240]), ëèáî êîãäà
âðåìÿ, çàòðà÷åííîå íà èíòåãðèðîâàíèå, ïðåâûøàåò íåêîòîðîå ïðåäóñòàíîâëåííîå ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî ïðîöåññ îïòèìèçàöèè
ëèáî ñõîäèòñÿ î÷åíü ìåäëåííî, ëèáî íå ñõîäèòñÿ âîîáùå. Âû÷èñëåíèÿ áóäåì
ïðîâîäèòü íà íîóòáóêå ñ ÷åòûðåõÿäåðíûì ïðîöåññîðîì Intel Core i7-4702MQ
2.20 ÃÃö è 12 Ãá ÎÇÓ. Âðåìÿ, ïîòðåáîâàâøååñÿ äëÿ ðåøåíèÿ ñèñòåì äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé, áóäåì èçìåðÿòü ñ ïîìîùüþ âñòðîåííûõ â MATLAB
ôóíêöèé tic() è toc() è óñðåäíÿòü ïî ðåçóëüòàòàì ïÿòè ýêñïåðèìåíòîâ.
81
Ñ öåëüþ óñêîðåíèÿ âû÷èñëåíèé íåîáõîäèìûå äëÿ êîììóòàòîðû ïåðâîãî è
âòîðîãî ïîðÿäêîâ áûëè âû÷èñëåíû äî íà÷àëà îïòèìèçàöèè è ñîõðàíåíû â ïàìÿòè äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ íåïîñðåäñòâåííî â ïðîöåññå ðåøåíèè ñèñòåì óðàâíåíèé
(3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5), (3.6).
Àëãîðèòì äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ âêëþ÷àåò â ñåáÿ âûïîëíåíèå ñëåäóþùèõ øàãîâ.
(1)
(2)
1. Äëÿ ìåòîäîâ DM(1) , DM∆t , DM(2) , DM∆t âû÷èñëèòü è ñîõðàíèòü â ïàìÿòè
êîììóòàòîðû [H0 , Hk ], [Hp , Hk ], p, k = 1, . . . , M .
(2)
Äëÿ ìåòîäîâ DM(2) , DM∆t äîïîëíèòåëüíî âû÷èñëèòü è ñîõðàíèòü â ïàìÿòè êîììóòàòîðû âòîðîãî ïîðÿäêà [H0 , [H0 , Hk ]], [H0 , [Hp , Hk ]], [Hp , [H0 , Hk ]],
[Hp , [Hq , Hk ]], p, q, k = 1, . . . , M .
Çàäàòü øàã äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé ∆t è ðàçáèòü îòðåçîê [0, T ] íà
L = T /∆t îòðåçêîâ [tl−1 , tl ], l = 1, . . . , L.
Óñòàíîâèòü s = 0 è çàäàòü íà÷àëüíûå óïðàâëåíèÿ ïðè s = 0 â âèäå èõ
çíà÷åíèé lk (0) íà îòðåçêàõ [tl−1 , tl ], k = 1, . . . , M , l = 1, . . . , L.
2. Äëÿ òåêóùåãî çíà÷åíèÿ s è çàäàííûõ çíà÷åíèÿõ óïðàâëåíèé lk (s) ñäåëàòü
øàã ÷èñëåííîãî èíòåãðèðîâàíèÿ ñëåäóþùåé ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ
óðàâíåíèé íà îòðåçêå [s, s + ∆s] ìåòîäîì ode45 [270].
Äëÿ ìåòîäîâ DM(0) , DM(1) , DM(2) :
dlk (s)
= f ({lk }k,l , k, l).
ds
(0)
(1)
(2)
Äëÿ ìåòîäîâ DM∆t , DM∆t , DM∆t :
dlk (s)
= f∆t ({lk }k,l , k, l).
ds
Òàêèì îáðàçîì, èñïîëüçóåòñÿ ïàðà ìåòîäîâ ÐóíãåÊóòòû ÷åòâåðòîãî è ïÿòîãî ïîðÿäêîâ òî÷íîñòè äëÿ ïîñòðîåíèÿ ïðèáëèæåííîãî ðåøåíèÿ lk (s + ∆s)
âûøåîïèñàííûõ ñèñòåì â òî÷êå s + ∆s çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ è óâåëè÷åíèÿ
øàãà ÷èñëåííîãî èíòåãðèðîâàíèÿ ∆s äî òåõ ïîð, ïîêà ëîêàëüíàÿ îøèáêà elk
â ïîñòðîåííûõ óïðàâëåíèÿõ lk (s + ∆s) íå ñòàíåò ìåíüøå
|elk | ≤ max
RT
∗ |lk (s + ∆s)|,
AT
= max 10−4 |lk (s + ∆s)|,
10−4 .
82
Ïðè ýòîì ïîòðåáóåòñÿ ìíîãî ðàç âû÷èñëÿòü ïðàâóþ ÷àñòü ýòèõ ñèñòåì
1
∗
l
=
Im Tr UD U (T, tl−1 )H̃k U (tl−1 , 0) ,
2N
∆t
l
∗
l
f∆t ({k }k,l , k, l) =
Im Tr UD U (T, tl−1 )H̃k U (tl−1 , 0)
2N
f ({lk }k,l , k, l)
ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ óïðàâëåíèé lk (s). Äëÿ ýòîãî ïîòðåáóåòñÿ âûïîëíèòü îòäåëüíûé àëãîðèòì, ñîñòîÿùèé èç ñëåäóþùèõ øàãîâ.
(a) Äëÿ çàäàííûõ çíà÷åíèé óïðàâëåíèé lk âû÷èñëèòü ìàòðèöû ïîïðàâîê.
(0)
Äëÿ ìåòîäîâ DM(0) , DM∆t :
H̃1l = H1 ,
H̃2l = H2 .
(1)
Äëÿ ìåòîäîâ DM(1) , DM∆t :
ı∆t
[H0 , H1 ] + l2 [H2 , H1 ] ,
2
ı∆t
H̃2l = H2 +
[H0 , H2 ] + l1 [H1 , H2 ] .
2
H̃1l = H1 +
(2)
Äëÿ ìåòîäîâ DM(2) , DM∆t :
H̃1l
(∆t)2
ı∆t
l
[H0 , H1 ] + 2 [H2 , H1 ] −
([H0 , [H0 , H1 ]] +
= H1 +
2
6
l1 [H1 , [H0 , H1 ]] + l2 ([H0 , [H2 , H1 ]] + [H2 , [H0 , H1 ]]) +
l1 l2 [H1 , [H2 , H1 ]] + l2 l2 [H2 , [H2 , H1 ]] ,
H̃2l
(∆t)2
ı∆t
l
[H0 , H2 ] + 1 [H1 , H2 ] −
([H0 , [H0 , H2 ]] +
= H2 +
2
6
l1 ([H0 , [H1 , H2 ]] + [H1 , [H0 , H2 ]]) + l2 [H2 , [H0 , H2 ]]+
l1 l2 [H2 , [H1 , H2 ]] + l1 l1 [H1 , [H1 , H2 ]] .
83
(b) Äëÿ êàæäîãî îòðåçêà [tl−1 , tl ], l = 1, . . . , L âû÷èñëèòü ìàòðèöû ýâîëþöèè êâàíòîâîé ñèñòåìû Ul íà äàííîì îòðåçêå ñ ïîìîùüþ âñòðîåííîé â
Matlab ôóíêöèè expm:
Ul = U (tl , tl−1 ) = expm −ı∆t H0 + l1 H1 + l2 H2
.
(c) Âû÷èñëèòü ìàòðèöû ýâîëþöèè ñèñòåìû íà îòðåçêàõ [tl−1 , T ] è [0, tl−1 ],
l = 1, . . . , L:
U (T, tl−1 ) = UL UL−1 · · · Ul ,
U (tl−1 , 0) = Ul−1 Ul−2 · · · U1 .
3. Ïîëó÷åííûå íà ïðåäûäóùåì øàãå çíà÷åíèÿ óïðàâëåíèé lk (s+∆s) èñïîëüçóåì äëÿ âû÷èñëåíèÿ ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ äîñòèãíóòà
ëè æåëàåìàÿ òî÷íîñòü â ðåàëèçàöèè êâàíòîâîãî ãåéòà:
J=
1
1
−
Re Tr (UD∗ U (T, 0))
2 2N
äëÿ ÷åãî ïîòðåáóåòñÿ âíîâü âû÷èñëÿòü ìàòðèöû ýâîëþöèè Ul äëÿ l = 1,..., L
ïðè íîâûõ óïðàâëåíèÿõ lk (s + ∆s), íî ìîæíî, îäíàêî, ñîõðàíÿòü çíà÷åíèÿ
ýòèõ ìàòðèö, âû÷èñëåííûå ïðè ïðîâåäåíèè èíòåãðèðîâàíèÿ ìåòîäîì ode45
íà îòðåçêå [s, s + ∆s], ÷òî íå ñèëüíî èçìåíèò ðåçóëüòàòû îïòèìèçàöèè.
Åñëè J < 10−7 , òî ïðîöåññ îïòèìèçàöèè îñòàíàâëèâàåòñÿ è lk (s + ∆s)
èñêîìûå îïòèìàëüíûå óïðàâëåíèÿ. Åñëè æå J ≥ 10−7 , òî ïåðåõîäèì ê ñëåäóþùåìó øàãó àëãîðèòìà.
4. Åñëè êîëè÷åñòâî øàãîâ èíòåãðèðîâàíèÿ, âûïîëíåííûõ ñ ñàìîãî íà÷àëà àëãîðèòìà îïòèìèçàöèè, ïðåâûøàåò 10000 èëè âðåìÿ, ïðîøåäøåå ñ íà÷àëà
ïåðâîãî øàãà èíòåãðèðîâàíèÿ, ïðåâîñõîäèò íåêîòîðóþ çàäàííóþ âåëè÷èíó
(ðàçíóþ äëÿ êàæäîãî êâàíòîâîãî ãåéòà è çàäàííóþ èçíà÷àëüíî), òî ïðîöåññ
îïòèìèçàöèè îñòàíàâëèâàåòñÿ è ïîìå÷àåòñÿ êàê íåóäà÷íûé.
Åñëè æå âûøåîïèñàííûå óñëîâèÿ íå âûïîëíÿþòñÿ, òî èñïîëüçóåì óïðàâëåíèÿ lk (s + ∆s), ïîñòðîåííûå íà øàãå 2 àëãîðèòìà, êàê íà÷àëüíûå íà ñëåäó-
˜ äëÿ ÷åãî âíîâü ïåðåõîäèì
þùåì øàãå èíòåãðèðîâàíèÿ [s + ∆s, s + ∆s + ∆s]
ê øàãó 2 àëãîðèòìà ñ s + ∆s.
84
3.4
Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ
 ñëåäóþùèõ òàáëèöàõ 3.13.20 è íà ñëåäóþùèõ ðèñóíêàõ 3.13.20 ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ âðåìåíè â ñåêóíäàõ (óñðåäíåííûå ïî ðåçóëüòàòàì ïÿòè ýêñïåðèìåíòîâ) ïîòðåáîâàâøåãîñÿ äëÿ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ çà âðåìÿ
(0)
(1)
T ∈ {0.1, 0.5, 1, 5, 10} ðàçíûìè ìåòîäàìè DM(0) , DM∆t , DM(1) , DM∆t , DM(2)
(2)
è DM∆t ñîãëàñíî àëãîðèòìó îïèñàííîìó â ïðåäûäóùåì ïàðàãðàôå â ñëó÷àå
√
ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ CNOT, SWAP, SWAP è H2 äëÿ çíà÷åíèé êîëè÷åñòâà îòðåçêîâ L äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé îò 50 äî 400. Íà ðèñóíêàõ ïðèâåäåíû ïîëíûå äàííûå äëÿ âñåõ çíà÷åíèé L ñ øàãîì 10, â òî âðåìÿ êàê â òàáëèöàõ
äëÿ ýêîíîìèè ìåñòà ïðèâåäåíà ëèøü ÷àñòü äàííûõ: òîëüêî çíà÷åíèÿ L, ïîëó÷åííûå ñ øàãîì 50.
Íà ðèñóíêàõ ìîæíî ëåãêî óâèäåòü êàêèå òèïû ìåòîäîâ è ïðè êàêèõ äèàïàçîíàõ çíà÷åíèé L äàâàëè íàèìåíüøåå âðåìÿ, à êàêèå äàâàëè íàèáîëüøåå âðåìÿ,
ïðè ýòîì íà ðèñóíêàõ äëÿ êîíêðåòíîãî ìåòîäà ìîãóò îòñóòñòâîâàòü çíà÷åíèÿ
âðåìåíè äëÿ òåõ çíà÷åíèé L, ïðè êîòîðûõ äàííûé ìåòîä íå ïðèâåë ê ïîñòðîåíèþ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ñ íåîáõîäèìîé òî÷íîñòüþ 10−8 çà 300 ñåêóíä
èëè 600 ñåêóíä.
 êàæäîé ñòðîêå êàæäîé òàáëèöû öâåòîì âûäåëåíû ìèíèìàëüíûå âðåìåíà
äëÿ êîíêðåòíûõ çíà÷åíèé L ñðåäè âñåõ ìåòîäîâ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î íàèëó÷øåì ìåòîäå â äàííîì ñëó÷àå, òî åñòü ìåòîäå, ïîêàçàâøåì íàèìåíüøåå ñðåäè
îñòàëüíûõ ìåòîäîâ âðåìÿ íà îïòèìèçàöèþ.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ çíà÷åíèé âðåìåíè íà ðåàëèçàöèþ ãåéòà T = 0.01
è T = 0.001 íè îäèí èç ðàññìàòðèâàåìûõ ìåòîäîâ íå äàë òî÷íûõ ðåçóëüòàòîâ çà ïðèåìëåìîå âðåìÿ, ÷òî ïðåêðàñíî ñîãëàñóåòñÿ ñ îáùåèçâåñòíûì ôàêòîì,
÷òî â ïîäîáíûõ çàäà÷àõ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ äëÿ ðåàëèçàöèè
ãåéòîâ èìååòñÿ íåêîòîðàÿ íèæíÿÿ ãðàíèöà íà âðåìÿ ðåàëèçàöèè óïðàâëÿþùèõ
ïîëåé [257], íèæå êîòîðîé íåâîçìîæíî ðåàëèçîâàòü ãåéò íà ïðàêòèêå. Òàêàÿ
íèæíÿÿ ãðàíèöà íàçûâàåòñÿ êâàíòîâûì ïðåäåëîì ñêîðîñòè.
85
3.4.1
Ãåéò CNOT.
Ðèñ. 3.1: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ïðè
T = 0.1
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.1: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT
ïðè
T = 0.1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
(0)
50
äî
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
22.5
22.8
21
20.9
23.1
22.8
100
32.7
33.1
49.5
42
37.4
41.7
150
47.3
50.8
66.8
73.2
56.7
57.2
200
60.1
61.1
89.9
89.3
73.4
84.5
250
75
75.3
103.1
111.1
90.8
91.9
300
88.5
88.3
126.8
172
106.1
118.2
350
96.9
96.2
135.1
132.9
119.8
119.5
400
108.1
109.1
152.3
149.8
134.8
134.8
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.1 è òàáëèöû 3.1 ïî÷òè äëÿ âñåõ çíà÷åíèé ÷èñëà îòðåçêîâ ðàçáèåíèÿ L ìèíèìàëüíîå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ñ òî÷íîñòüþ
(0)
10−8 ïîêàçàë îðèãèíàëüíûé ìåòîä D-MORPH DM(0) è åãî àíàëîã DM∆t , îòëè÷àþùèéñÿ îò íåãî òîëüêî íàëè÷èåì ìíîæèòåëÿ ∆t. Íàèáîëüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè
(1)
ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , êðîìå ñëó÷àÿ èñïîëüçîâàíèÿ ñàìûõ áîëüøèõ çíà÷åíèé øàãà äèñêðåòèçàöèè ∆t (ìàëûõ çíà÷åíèÿõ L),
êîãäà ýòè ìåòîäû ïîêàçàëè íàèìåíüøåå âðåìÿ.
86
Ðèñ. 3.2: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.2: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT
ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
äî
50
(0)
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
20
20
3.2
3.2
2.3
2.3
100
4
4
4.1
4
3.9
3.9
150
5.3
5.3
7.3
7.3
6.6
7.4
200
6.1
6.1
9.7
9.6
8.7
8.6
250
7.5
7.5
12.4
13.5
10.8
11
300
8.8
8.8
15.7
14.7
13.3
13.1
350
10.1
9.8
15.9
15.9
14.1
14.3
400
11
10.9
18.2
17.9
15.8
15.8
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.2 è òàáëèöû 3.2 ïðè çíà÷åíèÿõ ÷èñëà îòðåçêîâ ðàçáèåíèÿ L ≤ 70, L = 90 è L = 100 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
CNOT ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2)
(2)
è DM∆t , ïðè çíà÷åíèÿõ 70 < L ≤ 90 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(1)
ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêîâ DM(1) è DM∆t . Ïðè ýòèõ çíà÷åíèÿõ L ìåòîäû
áåç ïîïðàâîê ïîêàçàëè î÷åíü áîëüøîå âðåìÿ. Äëÿ çíà÷åíèé L > 100 ìèíèìàëü(0)
íîå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t , òî åñòü îðèãèíàëüíûé
ìåòîä D-MORPH è åãî àíàëîã. Ïðè ýòîì íàèáîëüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(1)
ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
87
Ðèñ. 3.3: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.3: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT
ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
(0)
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
3.4
3.4
3.1
3.1
12.1
12.7
100
27
26.7
7.8
7.8
5.6
5.9
150
10.9
10.9
6.6
6.6
6
5.9
200
9
9.2
8.2
8.4
7.9
7.8
250
9.1
8.6
11.4
11.5
10.8
10.1
300
10.1
9.8
13.8
13.5
13.4
12.6
350
9.8
9.8
15.2
15.1
14.4
14.4
400
11.2
11.2
17.8
17.7
16.4
16.5
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.3 è òàáëèöû 3.3 äëÿ çíà÷åíèé L < 90 íàèìåíüøåå
âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâ(1)
êàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , à íàèáîëüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(2)
ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t . Äëÿ çíà÷åíèé 90 ≤ L ≤ 220 íàè(2)
ìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t ,
(0)
íàèáîëüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t . Äëÿ çíà÷åíèé
(0)
L > 220 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t , à
(1)
íàèáîëüøåå ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
88
Ðèñ. 3.4: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ïðè
T =5
10−8
ñ òî÷íîñòüþ
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
ñ øàãîì
400
10.
Òàáëèöà 3.4: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT
ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
(0)
50
äî
400
ñ øàãîì
50.
(1)
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
27.4
28.2
38.5
x*
x*
x*
100
x*
x*
4.3
4.5
x*
x*
150
11.6
11.6
5
4.9
x*
x*
200
11.1
11.1
7.1
7.5
x*
x*
250
9.1
9.2
7.4
7.3
8.7
8.5
300
7.9
7.9
7.8
7.8
21.9
21.7
350
19.3
19.2
13.7
13.5
x*
x*
400
25
25.3
13.6
13.4
68.5
68.8
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.4 è òàáëèöû 3.4 ïðè çíà÷åíèÿõ L ≤ 70 íàèìåíüøåå
âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðà(0)
âîê DM(0) è DM∆t , ïðè ýòîì îñòàëüíûå ìåòîäû äàæå íå ñîøëèñü çà îòâåäåííîå
âðåìÿ (300 ñ). Ïðè âñåõ îñòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ L > 70 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçà(1)
ëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t . Ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè
(2)
âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t ñõîäèëèñü çà 300 ñ òîëüêî ïðè 170 ≤ L ≤ 190,
200 ≤ L ≤ 330 è L > 390, íî ïîêàçàëè íàèáîëüøåå âðåìÿ.
89
Ðèñ. 3.5: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.5: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT
ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
(0)
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
82.1
71.9
x*
x*
x*
x*
100
52.9
53
13.4
13.2
x*
x*
150
x*
x*
8.6
8.5
11
11
200
42.8
42.8
7.7
7.7
x*
x*
250
75.5
75.9
10.3
10.2
31.5
31.6
300
18.2
18.2
11.5
11.4
x*
114
350
29.2
29.1
12
11.9
51.6
51.4
400
24.2
24.2
14
13.9
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.5 è òàáëèöû 3.5 ïðè çíà÷åíèÿõ L ≤ 70 íàèìåíüøåå
âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà CNOT ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðà(0)
âîê DM(0) è DM∆t , ïðè ýòîì îñòàëüíûå ìåòîäû äàæå íå ñîøëèñü çà îòâåäåííîå
âðåìÿ (300 ñ). Ïðè îñòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ L ≥ 90 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè
(1)
ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , â òî âðåìÿ êàê ìåòîäû
(2)
ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t ñõîäèëèñü çà 300 ñ òîëüêî ïðè
çíà÷åíèÿõ L = 150, L = 190, L = 240, L = 250 è ïðè 300 ≤ L ≤ 360.
90
3.4.2
Ãåéò SWAP.
Ðèñ. 3.6: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ïðè
T = 0.1
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.6: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP
ïðè
T = 0.1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
(0)
50
äî
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
7.9
8
11.2
11.2
10.2
10.2
100
17.9
21.1
22.2
22.1
20
20
150
25.3
26.1
33
32.8
30
30.3
200
31.7
37.4
42.2
41.8
38.3
38.3
250
38.8
39.1
54.2
53.6
47.8
47.8
300
46.4
45.9
64.6
64
57.1
57.4
350
53.3
53.2
74.3
73.5
65.6
65.8
400
58.9
59.1
86.3
85.3
77.3
76.2
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.6 è òàáëèöû 3.6 ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ L îò 50 äî
400 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè
(0)
ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t , ïðè ýòîì íàèáîëüøåå âðåìÿ âñåãäà äàâàëè
(1)
ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
91
Ðèñ. 3.7: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.7: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP
ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
(0)
400
ñ øàãîì
50.
(1)
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
37.8
45.9
15.2
15.3
2
2
100
22.8
22.9
14.5
5.7
4.7
4.7
150
6.9
6.5
8.2
8.1
6.3
6.4
200
7.9
7.5
10.3
10.3
10.4
8.5
250
9.1
8.9
12.5
12.4
14.8
20.7
300
11
10.5
23.5
15.1
12.8
12.8
350
13
12.5
17.8
32.7
18.8
15.5
400
13.7
13.6
20.3
20.1
17.3
17.3
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.7 è òàáëèöû 3.7 ïðè çíà÷åíèÿõ L ≤ 160 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(2)
ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t , ïðè ýòîì íàèáîëüøåå âðåìÿ äà(0)
âàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t . Ïðè îñòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ L ≥ 160
(0)
íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t .
92
Ðèñ. 3.8: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.8: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP
ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
(0)
50
äî
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
x*
x*
7.5
7.2
4.4
4.5
100
x*
x*
24.2
21.1
18.9
19.3
150
x*
x*
39.5
35.9
47.2
47.5
200
14.9
14.1
31.7
29.4
19
19.5
250
18.4
17.5
37.5
34.7
24.2
25.5
300
23.3
20.9
43
42.3
26.7
28.3
350
24.4
23.2
45.2
42.6
30.3
32.1
400
27.4
27.1
45.9
47.8
34.2
36.2
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.8 è òàáëèöû 3.8 ïðè çíà÷åíèÿõ L < 140 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ïîïåðåìåííî
(1)
ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t è ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè
(2)
âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t , â òî âðåìÿ êàê ìåòîäû áåç ïîïðàâîê íå ñîøëèñü
çà îòâåäåííûå 300 ñ (êðîìå èíòåðâàëà [60, 90]). Ïðè çíà÷åíèÿõ 140 ≤ L ≤ 160
(1)
íàèìåíüøåå âðåìÿ äàâàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
(0)
Ïðè çíà÷åíèÿõ L > 160 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû DM(0) è DM∆t .
93
Ðèñ. 3.9: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
ñ øàãîì
400
10.
Òàáëèöà 3.9: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP
ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
(0)
50
äî
400
ñ øàãîì
50.
(1)
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
27.7
27.7
38.9
46.6
x*
x*
100
x*
x*
8.3
8.2
x*
x*
150
x*
x*
21.8
21.7
x*
x*
200
34.4
34.4
36
35.7
x*
x*
250
30.1
30.1
52.4
55.9
40.3
40.1
300
227.4
227
x*
x*
x*
x*
350
202.6
202.9
230.7
228.5
x*
x*
400
x*
x*
159.6
158
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.9 è òàáëèöû 3.9 ïðè çíà÷åíèÿõ L < 240 íàèìåíüøåå
âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 â îñíîâíîì ïîêàçàëè ìåòî(1)
äû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , à ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0)
(0)
è DM∆t èíîãäà è âîâñå íå ñõîäèëèñü çà 300 ñ. Ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ L ≥ 240 íàè(0)
ìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t . Ñòîèò îòìåòèòü,
÷òî ïî÷òè íà âñåì îòðåçêå [50, 400] ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2)
(2)
è DM∆t íå ñîøëèñü çà îòâåäåííîå âðåìÿ (300 ñ).
94
Ðèñ. 3.10: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP
ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.10: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP
ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
(0)
50
äî
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
x*
x*
x*
22
x*
x*
100
56.2
55
12.9
13
x*
x*
150
x*
x*
169.6
168.4
18.9
19
200
x*
x*
9.4
10.2
x*
x*
250
x*
x*
12.1
12
55.6
58
300
31.9
31.8
12.9
12.8
x*
x*
350
71.2
71.9
17.3
17.2
45.8
45.9
400
23.9
23.8
25.5
25.2
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.10 è òàáëèöû 3.10 ïî÷òè ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ
50 ≤ L ≤ 400 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8
(1)
ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , â òî âðåìÿ êàê
(0)
èìååòñÿ ìíîãî çíà÷åíèé L, ïðè êîòîðûõ ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t è
(2)
ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t íå ñîøëèñü çà 300 ñ.
95
√
3.4.3
Ãåéò
SWAP.
Ðèñ. 3.11: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
ïðè
T = 0.1
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
√
SWAP
10.
Òàáëèöà 3.11: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
√
SWAP ïðè
T = 0.1
L
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
(0)
L
îò
50
äî
400
(1)
ñ øàãîì
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
13.7
13.8
17.6
18.1
16.6
15.5
100
23.9
24.7
32.3
33.4
39
38.2
150
39.4
39.4
49
48.5
46.1
46.2
200
45.7
47.3
63.8
63.3
59.7
60.8
250
57
57.1
80.6
79.7
74.2
73.7
300
68.6
76.5
97
96.1
85.9
85.7
350
78.4
92.6
112.3
111.2
101.3
101.1
400
89
98.2
126.5
126.9
116.9
112.9
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.11 è òàáëèöû 3.11 ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ 50 ≤ L ≤ 400
√
íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìå(0)
òîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t , à íàèáîëüøåå âðåìÿ ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè
(1)
ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
96
Ðèñ. 3.12: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
−8
10
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
äî
50
400
ñ øàãîì
√
SWAP
10.
Òàáëèöà 3.12: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
√
SWAP ïðè
T = 0.5
L
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
(0)
îò
50
äî
400
(1)
ñ øàãîì
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
26.5
21.7
4.6
4.4
2.2
2.2
100
5.9
5.9
4.4
4.4
3.5
3.5
150
5.5
5.6
5.8
5.4
5.2
5.3
200
6
6.1
7.2
7.1
6.9
6.9
250
7.4
7.3
9.3
9.3
8.4
8.2
300
8.7
8.7
11.8
11.6
9.9
9.8
350
9.8
9.9
12.4
12.5
12
11.8
400
10.4
10.9
13.7
13.7
13.5
13.7
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.12 è òàáëèöû 3.12 ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ L < 160 íàè√
ìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû
(2)
ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t , à íàèáîëüøåå ìåòîäû áåç ïî(0)
ïðàâîê DM(0) è DM∆t . Ïðè îñòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ L ≥ 160 íàèìåíüøåå âðåìÿ
(0)
ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t , à íàèáîëüøåå âðåìÿ ìåòîäû ñ
(1)
ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
97
Ðèñ. 3.13: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
−8
10
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
√
SWAP
10.
Òàáëèöà 3.13: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
√
SWAP ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
(0)
îò
50
äî
400
(1)
ñ øàãîì
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
x*
x*
3.2
3.7
16.9
16.1
100
63
61
8.6
8.8
7
7.1
150
x*
x*
14.2
11.2
9.2
9.4
200
14.5
14.5
20.5
19.1
20.5
21.2
250
20.1
20.3
28.3
26.1
25.2
57.6
300
27.1
26.5
29.6
29
27.1
28.2
350
33.8
33.2
35.4
32.5
29.8
33.2
400
43.1
38.6
35.6
35.2
32.7
35.5
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.13 è òàáëèöû 3.13 ïðè çíà÷åíèÿõ L < 90 íàèìåíü√
øåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(1)
ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t . Ïðè çíà÷åíèÿõ 90 ≤ L ≤ 180 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè óæå ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è
(2)
DM∆t . Ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ 190 ≤ L ≤ 300 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû
(0)
áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t . Ïðè çíà÷åíèÿõ L > 300 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàë
ìåòîä ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) .
98
Ðèñ. 3.14: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
−8
10
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
√
SWAP
10.
Òàáëèöà 3.14: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
√
SWAP ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
(0)
L
îò
50
äî
400
(1)
ñ øàãîì
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
x*
x*
41.7
43.4
x*
x*
100
23.5
23.6
6.1
6.1
x*
x*
150
x*
x*
7.2
7.1
x*
x*
200
26.9
28.5
12.4
12.2
x*
x*
250
35.4
35.3
25.6
25.3
55.3
52.8
300
42
41.9
104
103.2
42.4
41.8
350
72
71.9
66
65
x*
x*
400
x*
x*
37.6
37.2
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.14 è òàáëèöû 3.14 ïðè çíà÷åíèÿõ L < 60 íàèìåíüøåå
√
âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâ(1)
êàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t . Ïðè çíà÷åíèÿõ 60 ≤ L < 80 íàèìåíüøåå
(0)
âðåìÿ äàâàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t . Ïðè çíà÷åíèÿõ 90 ≤ L ≤ 250
íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è
(1)
(0)
DM∆t . Ïðè çíà÷åíèÿõ L > 250 ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t ïîêàçûâàëè
(2)
íàèìåíüøåå âðåìÿ. Ìåòîäû DM(2) è DM∆t ïî÷òè âñåãäà âåëè ñåáÿ íåñòàáèëüíî.
99
Ðèñ. 3.15: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
−8
10
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
√
SWAP
10.
Òàáëèöà 3.15: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
√
SWAP ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
(0)
îò
50
äî
400
(1)
ñ øàãîì
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
x*
x*
x*
x*
x*
x*
100
73.4
70.8
8.8
9
x*
x*
150
x*
x*
9.5
10
20.8
21
200
x*
x*
33.9
33.5
x*
x*
250
238
234.9
16.8
22
163.6
140.5
300
35.4
35.1
25.3
25
155.6
104.3
350
260.1
262.7
29.3
29.1
81.5
81.9
400
x*
x*
30
29.8
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.15 è òàáëèöû 3.15 ïî÷òè ïðè çíà÷åíèÿõ
√
50 ≤ L ≤ 400 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà SWAP ñ òî÷íîñòüþ 10−8
(1)
ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t . Ïî÷òè ïðè âñåõ
(0)
çíà÷åíèÿõ L < 250 ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t è ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè
(2)
âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t íå ñõîäèëèñü çà îòâåäåííûå 300 ñ.
100
3.4.4
Ãåéò H2 .
Ðèñ. 3.16: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2 ïðè
T = 0.1 ñ òî÷íîñòüþ 10−8 äëÿ çíà÷åíèé L îò 50 äî 400 ñ øàãîì 10.
Òàáëèöà 3.16: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2
ïðè
T = 0.1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
(0)
äî
400
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
193
192.9
118.1
117.3
119.7
124.5
100
272.4
264.9
243.6
240.6
211.9
266.3
150
299.1
303.5
352.5
349.3
305.6
305.4
200
328.8
329.1
473.3
456.3
396.3
397
250
355.6
357.3
537.4
526.6
464.4
464.7
300
409.6
407.4
x*
x*
557.6
558.7
350
505.1
505
x*
x*
x*
x*
400
577.1
576
x*
x*
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 600 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.16 è òàáëèöû 3.16 ïðè çíà÷åíèÿõ L ≤ 150 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
H2
ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(2)
ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t , à ïðè çíà÷åíèÿõ 150 < L ≤ 400
(0)
óæå ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t äàâàëè íàèìåíüøåå âðåìÿ. Ìåòîäû ñ
(1)
ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t äàâàëè ñàìûå áîëüøèå âðåìåíà.
101
Ðèñ. 3.17: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2 ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.17: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2
ïðè
T = 0.5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
(0)
äî
400
ñ øàãîì
50.
(1)
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
52.3
45
5.6
5.7
3.4
3.3
100
8.4
8.3
4.4
4.5
4
4
150
5.5
5.6
7.3
7.2
6.6
6.4
200
6.4
6.7
10.3
10
8.7
8.3
250
7.5
7.8
12.6
12.4
10.4
10.2
300
8.8
9.2
15.4
14.9
12.3
12.5
350
10.3
10.5
17.1
17.3
14.9
15.5
400
12.6
12.2
19.7
19.6
16.8
17.4
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.17 è òàáëèöû 3.17 ïðè çíà÷åíèÿõ L ≤ 130 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
H2
ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ
(2)
ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t , à ïðè çíà÷åíèÿõ 130 < L ≤ 400
(0)
ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t . Ïî÷òè âñåãäà íàèáîëüøåå âðåìÿ ïîêàçû(1)
âàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t .
102
Ðèñ. 3.18: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2 ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.18: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2
ïðè
T =1
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
(0)
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
4.4
4.4
1.9
2
3.1
3.1
100
74.5
84.5
5.8
6.2
3.2
3.2
150
10.9
10.3
5.6
5.7
4.7
4.7
200
11.7
11.1
8.5
8.6
8.5
8.5
250
9.5
10.3
10.5
10.7
9.8
9.8
300
10.6
10.1
12.6
13.8
11.7
11.7
350
11.4
11.3
14.7
15.8
13.6
13.6
400
12.7
12
16.5
16.3
15.3
15.3
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.18 è òàáëèöû 3.18 ïðè çíà÷åíèÿõ L < 90 íàèìåíüøåå
âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
H2
ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè
(1)
ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , ïðè çíà÷åíèÿõ 90 ≤ L < 250 íàèìåíüøåå âðåìÿ
(2)
ïîêàçàëè óæå ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t , à ïðè âñåõ
îñòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ L ≥ 250 íàèìåíüøåå âðåìÿ ïîêàçàëè ìåòîäû áåç ïîïðàâîê
(0)
DM(0) è DM∆t .
103
Ðèñ. 3.19: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2 ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
ñ øàãîì
400
10.
Òàáëèöà 3.19: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2
ïðè
T =5
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
(0)
ñ øàãîì
(1)
50.
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
36.5
36.6
18.1
18
x*
x*
100
23.3
23.3
4.3
4.2
x*
x*
150
12.3
11.2
6.1
6
x*
x*
200
14.4
14.4
8.1
8
x*
x*
250
15.2
15.2
8
7.9
10.8
10.9
300
25.6
25.5
10.6
10.4
32.9
32.9
350
25.5
25.6
17.4
17.1
x*
x*
400
28.4
28.3
24.3
23.9
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.19 è òàáëèöû 3.19 ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ 50 ≤ L ≤ 400
íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
H2
ñ òî÷íîñòüþ 10−8 ïîêàçàëè ìåòîäû
(1)
ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , à ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî
(2)
ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t ÷àñòî íå ñõîäèëèñü çà îòâåäåííîå èì âðåìÿ (300 ñ).
104
Ðèñ. 3.20: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2 ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
400
ñ øàãîì
10.
Òàáëèöà 3.20: Âðåìÿ (â ñåêóíäàõ), çàòðà÷åííîå ðàçíûìè ìåòîäàìè íà ïîñòðîåíèå ãåéòà H2
ïðè
T = 10
ñ òî÷íîñòüþ
L
10−8
äëÿ çíà÷åíèé
L
îò
50
äî
(0)
400
ñ øàãîì
50.
(1)
(2)
DM(0) DM∆t DM(1) DM∆t DM(2) DM∆t
50
72.6
56.7
4
3.5
x*
x*
100
38.6
43.2
9.7
8
x*
x*
150
x*
x*
30.3
26.5
24.8
23.9
200
x*
x*
6.1
5.9
x*
x*
250
71.1
67.8
7.4
7
99.2
96.4
300
21.9
21.3
10.2
11.1
x*
x*
350
141.8
136.2
17.5
21.2
68.5
71.4
400
56.2
56.3
15.7
18.5
x*
x*
Ïðèìå÷àíèå: * ìåòîä íå ñîøåëñÿ çà 300 ñ.
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 3.20 è òàáëèöû 3.20 ïî÷òè ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ
50 ≤ L ≤ 400 íàèìåíüøåå âðåìÿ íà ïîñòðîåíèå ãåéòà
H2
ñ òî÷íîñòüþ 10−8
(1)
ïîêàçàëè ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà DM(1) è DM∆t , à ìåòîäû áåç
(0)
(2)
ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t è ìåòîäû ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà DM(2) è DM∆t
âåëè ñåáÿ î÷åíü íåñòàáèëüíî (èìåþòñÿ îáëàñòè, ãäå îíè íå ñõîäèëèñü çà îòâåäåííûå èì 300 ñ).
105
3.5
Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ
Êàê âèäíî èç ðèñóíêîâ 3.13.20 è òàáëèö 3.13.20, ïîêàçûâàþùèõ âðåìÿ, çàòðà÷åííîå íà ïîñòðîåíèå îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé äëÿ ãåéòîâ CNOT, SWAP,
√
SWAP è H2 ñ òî÷íîñòüþ 10−8 , ïðè ìàëîì çíà÷åíèè âðåìåíè íà ðåàëèçàöèþ
ãåéòà T = 0.1, òî åñòü ïðè âðåìåíè áëèçêîì ê ìèíèìàëüíî âîçìîæíîìó äëÿ ïîñòðîåíèÿ çàäàííûõ ãåéòîâ â äàííîé êâàíòîâîé ñèñòåìå (äëÿ çíà÷åíèé T = 0.01
íè îäèí ìåòîä íå ñõîäèëñÿ, çíà÷èò ìèíèìàëüíîå âðåìÿ ëåæèò ìåæäó T = 0.01 è
(0)
T = 0.1), ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) (îðèãèíàëüíûé ìåòîä D-MORPH) è DM∆t
äàâàëè ïî÷òè äëÿ âñåõ çíà÷åíèé êîëè÷åñòâà èíòåðâàëîâ ðàçáèåíèÿ L (èëè ÷òî
òî æå ñàìîå çíà÷åíèé øàãà ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé ïî âðåìåíè) ëó÷øèé
ðåçóëüòàò, ÷åì âñå îñòàëüíûå ìåòîäû, ÷òî ìîæíî îáúÿñíèòü ìàëîñòüþ øàãà
∆t, êîòîðàÿ äåëàåò ïîïðàâêè ëþáîãî íåíóëåâîãî ïîðÿäêà íåçíà÷èòåëüíûìè äëÿ
óëó÷øåíèÿ òî÷íîñòè ïðîöåññà îïòèìèçàöèè è, ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ óìåíüøåíèÿ
âðåìåíè íà åãî ïðîâåäåíèå.
Ïðè çíà÷åíèÿõ âðåìåíè íà ðåàëèçàöèþ ãåéòîâ T = 0.5 è T = 1, òî åñòü
çíà÷åíèé äîñòàòî÷íî äàëåêèõ îò ìèíèìàëüíî âîçìîæíûõ çíà÷åíèé âðåìåíè íà
ðåàëèçàöèþ çàäàííûõ ãåéòîâ â äàííîé êâàíòîâîé ñèñòåìå, íàèëó÷øèé ðåçóëüòàò
ïðè áîëüøèõ øàãàõ ∆t (ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ L, ñîîòâåòñòâåííî) ïîêàçàëè ìå(2)
òîäû DM(2) è DM∆t ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà ïî ∆t, íåìíîãî õóäøåå âðåìÿ
(1)
ñëåäîì çà íèìè ïîêàçàëè ìåòîäû DM(1) è DM∆t ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà
ïî ∆t, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî ïðè áîëüøèõ øàãàõ ∆t ïîïðàâêè ëþáîãî ïîðÿäêà ñòàíîâÿòñÿ çíà÷èòåëüíûìè è èõ âêëþ÷åíèå ïðèâîäèò ê óëó÷øåíèþ
òî÷íîñòè ïðîöåññà îïòèìèçàöèè è, ñëåäîâàòåëüíî, ê ñîêðàùåíèþ âðåìåíè íà åãî
ïðîâåäåíèå. Ïðè ìàëûõ øàãàõ ∆t (áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ L) âåëè÷èíà ïîïðàâîê
ñòàíîâèòñÿ íåçíà÷èòåëüíîé è, êàê ñëåäñòâèå, íàèëó÷øèé ðåçóëüòàò ïîêàçûâàþò
(0)
ìåòîäû áåç ïîïðàâîê DM(0) è DM∆t .
Ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ âðåìåíè íà ðåàëèçàöèþ ãåéòîâ T = 5 è T = 10, òî
åñòü çíà÷åíèÿõ î÷åíü äàëåêèõ îò ìèíèìàëüíî âîçìîæíûõ çíà÷åíèé âðåìåíè íà
ðåàëèçàöèþ çàäàííûõ ãåéòîâ â äàííîé êâàíòîâîé ñèñòåìå, íàèëó÷øèé ðåçóëüòàò
ïî÷òè ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ L îò 50 äî 400, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò äîñòàòî÷íî
áîëüøèå øàãè ∆t (èç-çà âåëè÷èíû T ) ïî ñðàâíåíèþ ñ øàãàìè ïðè ìàëûõ çíà÷å(1)
íèÿõ T , ïîêàçàëè ìåòîäû DM(1) è DM∆t ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà ïî ∆t, à
(0)
(2)
ìåòîäû DM(0) è DM∆t áåç ïîïðàâîê è ìåòîäû DM(2) è DM∆t ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà ïî ∆t âåëè ñåáÿ íåñòàáèëüíî è ÷àñòî íå ñõîäèëèñü çà ïðåäåëüíîå
106
âðåìÿ ðàâíîå 300 ñåêóíäàì, ÷òî ìîæíî îáúÿñíèòü òåì, ÷òî â ïåðâîì ñëó÷àå íå
õâàòèëî òî÷íîñòè ôîðìóë, èñïîëüçóåìûõ ïðè âûâîäå ìåòîäîâ, ïðè òàêîì áîëüøîì øàãå ∆t, à âî âòîðîì ñëó÷àå ñëèøêîì áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè ïîïðàâîê
âòîðîãî ïîðÿäêà ïî ∆t, êîòîðûå ïî âñåé âèäèìîñòè óâîäÿò ïðîöåññ îïòèìèçàöèè ñëèøêîì äàëåêî îò îïòèìóìà.  äàííîì ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ïîïðàâîê
ïåðâîãî ïîðÿäêà îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íî äëÿ áûñòðîé ñõîäèìîñòè èçìåíåííîãî
ìåòîäà D-MORPH ê îïòèìóìó.
(i)
Ñðàâíèâàÿ ìåæäó ñîáîé ìåòîäû DM(i) , DM∆t ñ ïîïðàâêàìè îäèíàêîâîãî ïîðÿäêà ïî ∆t (íóëåâîãî i = 0, ïåðâîãî i = 1 è âòîðîãî i = 2), ìîæíî ñäåëàòü
âûâîä, ÷òî íåò ñèëüíûõ ðàçëè÷èé âî âðåìåíè, çàòðà÷åííîãî íà âûïîëíåíèå ïðîöåññà îïòèìèçàöèè äî çàäàííîé òî÷íîñòè, ìåæäó ìåòîäàìè DM(i) áåç ìíîæè(i)
òåëÿ ∆t è ìåòîäàìè DM∆t ñ ìíîæèòåëåì ∆t è ïîýòîìó âûáîð îäíîãî â ïîëüçó
äðóãîãî ñòîèò íå òàê îñòðî, êàê âûáîð êîíêðåòíîãî ïîðÿäêà i ïîïðàâîê, êîòîðûå
ñòîèò èñïîëüçîâàòü â óëó÷øåííîì ìåòîäå D-MORPH.
(1)
Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñäåëàòü îáùèé âûâîä, ÷òî ìåòîäû DM(1) è DM∆t
ñ ïîïðàâêàìè ïåðâîãî ïîðÿäêà ëó÷øå èñïîëüçîâàòü ïðè áîëüøèõ âðåìåíàõ T
(ïî ñðàâíåíèþ ñ ìèíèìàëüíî âîçìîæíûì çíà÷åíèåì âðåìåíè) íà ðåàëèçàöèþ
(2)
ãåéòîâ è ïðè ëþáûõ øàãàõ ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé, ìåòîäû DM(2) è DM∆t
ñ ïîïðàâêàìè âòîðîãî ïîðÿäêà ëó÷øå èñïîëüçîâàòü ïðè ñðåäíèõ ïî âåëè÷èíå
âðåìåíàõ T íà ðåàëèçàöèþ ãåéòîâ è ïðè áîëüøèõ øàãàõ äèñêðåòèçàöèè óïðàâ(0)
ëåíèé ∆t, â îñòàëüíûõ ñëó÷àÿõ ëó÷øå èñïîëüçîâàòü ìåòîäû DM(0) è DM∆t áåç
ïîïðàâîê. Ïðè÷åì ïðè çàäàííîì ïîðÿäêå èñïîëüçóåìûõ ïîïðàâîê ìîæíî èñïîëüçîâàòü êàê ìåòîäû áåç íàëè÷èÿ îáùåãî ìíîæèòåëÿ ∆t, òàê è ìåòîäû ñ
íàëè÷èåì äàííîãî ìíîæèòåëÿ.
Çàêëþ÷åíèå ê ãëàâå
×èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû, ïðîâåäåííûå â äàííîé ãëàâå, ïîäòâåðäèëè ïîëó÷åííûå òåîðåòè÷åñêè â ãëàâå 2 îæèäàíèÿ, ÷òî ïðè èñïîëüçîâàíèè ïîïðàâîê ðàçëè÷íîãî ïîðÿäêà ê ìåòîäó D-MORPH, îñîáåííî ïðè èñïîëüçîâàíèè áîëüøèõ
øàãîâ ∆t äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé, íàáëþäàåòñÿ ñîêðàùåíèå âðåìåíè, çàòðà÷åííîãî íà ïîñòðîåíèå îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â çàäà÷å íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ, ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòîäîì D-MORPH áåç ïîïðàâîê.
107
Çàêëþ÷åíèå
 äàííîé ðàáîòå áûë ïðåäñòàâëåí ñïîñîá óëó÷øåíèÿ àëãîðèòìà ïîñòðîåíèÿ êâàíòîâîãî îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ D-MORPH çà ñ÷åò âêëþ÷åíèÿ â íåãî
ïîïðàâîê ðàçíûõ ïîðÿäêîâ ìàëîñòè ïî ∆t ñ öåëüþ ñîêðàùåíèÿ âðåìåíè íà
÷èñëåííóþ îïòèìèçàöèþ â çàäà÷àõ ðåàëèçàöèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ â êâàíòîâîì
êîìïüþòåðå. Íà ïðèìåðå êâàíòîâîé ñèñòåìû, ÿâëÿþùåéñÿ ðåàëèçàöèåé äâóõ
ëîãè÷åñêèõ êóáèòîâ è ñîñòîÿùåé èç äâóõ ÷àñòèö ñî ñïèíîì 1/2 â ïîñòîÿííîì
ìàãíèòíîì ïîëå è óïðàâëÿåìîé ïåðåìåííûì ìàãíèòíûì ïîëåì áûëî ïîêàçàíî,
÷òî ïðè ìàêñèìàëüíî òî÷íîé ðåàëèçàöèè íåñêîëüêèõ âàæíûõ êâàíòîâûõ ëîãè÷åñêèõ ãåéòîâ çà âðåìÿ, äîñòàòî÷íî ïðåâîñõîäÿùåå ìèíèìàëüíî âîçìîæíîå
âðåìÿ, è ïðè èñïîëüçîâàíèè áîëüøèõ øàãîâ ∆t äëÿ äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé
íàáëþäàåòñÿ çíà÷èòåëüíîå óëó÷øåíèå ïîâåäåíèÿ ìåòîäà D-MOPRH ïðè âêëþ÷åíèè ïîïðàâîê ïåðâîãî è âòîðîãî ïîðÿäêîâ ïî ∆t ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íûì
ìåòîäîì D-MORPH ñ òî÷êè çðåíèÿ âðåìåíè, òðåáóåìîãî íà ÷èñëåííîå ðåøåíèå
çàäà÷è îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ.
Äëÿ äîñòèæåíèÿ ýòîé öåëè áûëè ðåøåíû ñëåäóþùèå çàäà÷è.
1. Ïîñòðîåí àíàëèòè÷åñêèé îáçîð íàó÷íîé ëèòåðàòóðû â îáëàñòè îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè ñ îñîáûì àêöåíòîì íà îáëàñòü êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé.
2. Îïðåäåëåíû îñíîâíûå íàïðàâëåíèÿ ðàçâèòèÿ îáëàñòè óïðàâëåíèÿ êâàíòîâûìè ñèñòåìàìè è èñïîëüçóåìûå â äàííûé ìîìåíò ïîäõîäû äëÿ ðåøåíèÿ
çàäà÷ îðãàíèçàöèè êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé ñ âûäåëåíèåì èõ ñèëüíûõ è ñëàáûõ ñòîðîí.
3. Íà îñíîâå èìåþùèõñÿ íàðàáîòîê è øèðîêî èçâåñòíûõ ìåòîäîâ Ñîôóñà Ëè
ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ âûâåäåíû óëó÷øàþùèå òî÷íîñòü
ïðîöåññà îïòèìèçàöèè ïîïðàâêè ðàçëè÷íûõ ïîðÿäêîâ ìàëîñòè ê ïîïóëÿðíîìó îïòèìèçàöèîííîìó ìåòîäó D-MORPH.
108
4. Ïðîâåäåíû ÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû íà çàäà÷àõ íàèáîëåå òî÷íîé ðåàëèçà√
öèè êâàíòîâûõ ãåéòîâ CNOT, SWAP, SWAP è H2 â ìîäåëüíîé êâàíòîâîé
ñèñòåìå ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ óñëîâèé, ïðè êîòîðûõ íàáëþäàåòñÿ ñîêðàùåíèå âðåìåíè, çàòðà÷åííîãî íà ÷èñëåííóþ îïòèìèçàöèþ, ïðè èñïîëüçîâàíèè
ìåòîäà D-MORPH ñ ïîïðàâêàìè ðàçëè÷íûõ ïîðÿäêîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòîäîì D-MORPH áåç ïîïðàâîê.
Òàêèì îáðàçîì, ïîñòàâëåííàÿ öåëü óñêîðåíèÿ ïîïóëÿðíîãî ÷èñëåííîãî îïòèìèçàöèîííîãî àëãîðèòìà D-MORPH áûëà ïîëíîñòüþ äîñòèãíóòà. Äàííûé ðåçóëüòàò ìîæåò áûòü ïîëåçåí íà ïðàêòèêå ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé íà êîëè÷åñòâî
ïåðåêëþ÷åíèé óïðàâëåíèÿ è íà ôîðìó óïðàâëåíèé, ãäå ïðåäïî÷òèòåëüíåå èñïîëüçîâàòü áîëüøèå øàãè äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé ïðè òðàêòîâêå óïðàâëåíèé êàê êóñî÷íî-ïîñòîÿííûõ ôóíêöèé. Èñïîëüçîâàíèå áîëüøèõ øàãîâ ∆t âìåñòå ñ ìåòîäàìè, ïðåäñòàâëåííûìè â äàííîé ðàáîòå, ïîçâîëèò ñîêðàòèòü âðåìÿ
íà ïðîâåäåíèå ìîäåëèðîâàíèÿ êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé è ïîçâîëèò áîëåå áûñòðî ïîëó÷àòü íîâûå ðåçóëüòàòû, ñâÿçàííûå ñ ðåàëèçàöèåé êâàíòîâûõ ãåéòîâ â
ðåàëüíûõ êâàíòîâûõ êîìïüþòåðàõ.
Ëîãè÷íûì ðàçâèòèåì äàííîé ðàáîòû ìîæåò ÿâëÿòüñÿ ïðèìåíåíèå ìåòîäîâ
Ñîôóñà Ëè, ïîäîáíûõ ìåòîäàì èñïîëüçóåìûì â äàííîé ðàáîòå, äëÿ âûâîäà ïîïðàâîê ê äðóãèì ïîïóëÿðíûì ÷èñëåííûì îïòèìèçàöèîííûì àëãîðèòìàì â òåîðèè êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ äëÿ ñîêðàùåíèÿ âðåìåíè íà ïîèñê îïòèìàëüíîãî
óïðàâëåíèÿ, îñîáåííî ïðè èñïîëüçîâàíèè áîëüøèõ øàãîâ äèñêðåòèçàöèè óïðàâëåíèé âî âðåìåíè. Êðîìå ýòîãî âîçìîæíî ðàñøèðåíèå äàííûõ ìåòîäîâ äëÿ îòêðûòûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì, ãäå ïðèñóòñòâóåò îêðóæåíèå, íåãàòèâíî âëèÿþùåå
íà äîñòèæåíèå öåëè îïòèìèçàöèè.
109
Ïðèëîæåíèå 1. Îñíîâíûå ñâåäåíèÿ èç êâàíòîâîé
ìåõàíèêè
Ñîñòîÿíèå êâàíòîâîé ñèñòåìû. Óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà
Ñîñòîÿíèå ëþáîé çàìêíóòîé êâàíòîâîé ñèñòåìû (íàä êîòîðîé íå ïðîèçâîäèëîñü èçìåðåíèé) ìîæíî îïèñàòü â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè t âåêòîðîì |ψ(t)i
â, ñòðîãî ãîâîðÿ, áåñêîíå÷íîìåðíîì ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå H [2, 11] íàä
ïîëåì êîìïëåêñíûõ ÷èñåë.  äåéñòâèòåëüíîñòè âåêòîð ñîñòîÿíèÿ çàâèñèò íå
òîëüêî îò âðåìåíè t, íî è îò ïîëîæåíèé è ñïèíîâ âñåõ ÷àñòèö ñîñòàâëÿþùèõ
ñèñòåìó, òî åñòü ψ(x1 , . . . , xp , s1 , . . . , sp , t), îäíàêî äëÿ êðàòêîñòè áóäåì ïèñàòü
èìåííî |ψ(t)i. Ê òîìó æå èíîãäà óäîáíåå ïèñàòü ïðîñòî ψ(t) âìåñòî |ψ(t)i â
óãëîâûõ ñêîáêàõ. Òàêîå êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå, êîòîðîå ìîæíî îïèñàòü âîëíîâîé
ôóíêöèåé, íàçûâàåòñÿ ÷èñòûì.
Èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû âî âðåìåíè ìîæíî îïèñàòü ñ ïîìîùüþ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà [2, 11]:
ı~
∂
|ψ(t)i = H|ψ(t)i,
∂t
ãäå ı ìíèìàÿ åäèíèöà, ~ = 1.05457148×10−34 ì2 êã/ñ ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, H :
H → H ëèíåéíûé, ýðìèòîâûé îïåðàòîð Ãàìèëüòîíà (èëè îïåðàòîð ýíåðãèè
èëè ãàìèëüòîíèàí).
Ïðèìå÷àòåëüíî, ÷òî ôèçè÷åñêîé èíòåðïðåòàöèè èìåííî ó âåêòîðà |ψ(t)i íå
èìååòñÿ. Ìîæíî òðàêòîâàòü [2] ñ ôèçè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ òîëüêî âåëè÷èíó
|ψ(t)i|2 = |hψ(x1 , . . . , xp , s1 , . . . , sp , t)|ψ(x1 , . . . , xp , s1 , . . . , sp , t)i|2 , êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ïëîòíîñòüþ âåðîÿòíîñòè îáíàðóæèòü â ìîìåíò âðåìåíè t ïåðâóþ ÷àñòèöó
â ïîëîæåíèè x1 è ñî ñïèíîì s1 , ..., ïîñëåäíþþ ÷àñòèöó â ïîëîæåíèè xp è ñî
ñïèíîì sp . Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî åñëè çàäàòü áåñêîíå÷íî ìàëûé îáúåì ïðîñòðàíñòâà ïîëîæåíèé dV = dx1 · · · dxp , òî âåëè÷èíà ψ(x1 , . . . , xp , s1 , . . . , sp , t)dV áóäåò
ðàâíà âåðîÿòíîñòè îáíàðóæèòü ñèñòåìó â îáúåìå dV îêîëî òî÷êè (x1 , . . . , xp ) ñî
110
ñïèíàìè s1 , ..., sp . Òàê êàê ïîëíàÿ âåðîÿòíîñòü îáíàðóæèòü ñèñòåìó âî âñåì ïðîñòðàíñòâå ñ ëþáûìè ñïèíàìè äîëæíà áûòü ðàâíà åäèíèöå, òî ïîëó÷àåì óñëîâèå
íîðìèðîâàííîñòè âîëíîâîé ôóíêöèè
X
s1
···
XZ
sp
||ψ(x1 , . . . , xp , s1 , . . . , sp , t)i|2 dV = ||ψ(t)||H = 1,
Rp
ãäå â ïîñëåäíåì ðàâåíñòâå èñïîëüçóåòñÿ íîðìà ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà H. Òàêèì îáðàçîì, âîëíîâûå ôóíêöèè ÿâëÿþòñÿ íîðìèðîâàííûìè êîìïëåêñíîçíà÷íûìè âåêòîðàìè â ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå H.
Áëàãîäàðÿ ëèíåéíîñòè óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà åãî ðåøåíèåì ÿâëÿþòñÿ âñåâîçìîæíûå ëèíåéíûå êîìáèíàöèè ñ êîìïëåêñíûìè êîýôôèöèåíòàìè íåñêîëüêèõ âîëíîâûõ ôóíêöèé, íàïðèìåð, ψ(t) = αψ1 (t) + βψ2 (t) áóäåò ðåøåíèåì, åñëè ψ1 è ψ2 ÿâëÿþòñÿ ðåøåíèÿìè [2]. Åäèíñòâåííîå óñëîâèå íà êîýôôèöèåíòû
ïîëó÷àåòñÿ èç óñëîâèÿ íîðìèðîâàííîñòè âîëíîâûõ ôóíêöèé: |α|2 + |β|2 = 1.
Äàííîå ñâîéñòâî íàçûâàåòñÿ ïðèíöèïîì èíòåðôåðåíöèè, òàê êàê ëèíåéíî êîìáèíèðóÿ ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè ìîæíî äîáèòüñÿ óâåëè÷åíèÿ èëè óìåíüøåíèÿ
ñîâìåñòíîé âåðîÿòíîñòè, äàæå åñëè ïðè ñëîæåíèè èëè âû÷èòàíèè îòäåëüíûõ
âåðîÿòíîñòåé òàêîãî íå ìîæåò ïîëó÷èòüñÿ, ïî àíàëîãèè ñ êîíñòðóêòèâíîé è äåñòðóêòèâíîé èíòåðôåðåíöèåé âîëí â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå.
Äðóãèì èíòåðåñíûì ôåíîìåíîì, ïîÿâëÿþùèìñÿ áëàãîäàðÿ âåðîÿòíîñòíîé
ïðèðîäå âîëíîâîé ôóíêöèè ψ , ÿâëÿåòñÿ êâàíòîâûé òóííåëüíûé ýôôåêò [2, 11].
Ôåíîìåí çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî âîëíîâàÿ ôóíêöèÿ ìîæåò êàê áû ïðîõîäèòü çà
ïîòåíöèàëüíûå áàðüåðû êîíå÷íûõ è áîëüøèõ ðàçìåðîâ, íà ÷òî ïî êëàññè÷åñêèì
çàêîíàì ó ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû íå äîëæíî õâàòàòü ýíåðãèè, òî åñòü èìååòñÿ
íåíóëåâàÿ âåðîÿòíîñòü îáíàðóæèòü êâàíòîâóþ ñèñòåìó çà òàêèì áàðüåðîì.
Îòìåòèì, ÷òî ðåøåíèå óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ñ íà÷àëüíûì óñëîâèåì |ψ(0)i
ìîæíî òàêæå çàïèñàòü â âèäå |ψ(t)i = U (t, 0)|ψ(0)i, ãäå óíèòàðíûé îïåðàòîð
U : H → H, íàçûâàåìûé îïåðàòîðîì ýâîëþöèè, óäîâëåòâîðÿåò óðàâíåíèþ
i~
∂
U (t) = HU (t).
∂t
Êðîìå âîëíîâîé ôóíêöèè, êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå ìîæíî îïèñàòü ñ ïîìîùüþ
ìàòðèöû ïëîòíîñòè ρ: ìîæíî îïèñàòü âñå ÷èñòûå ñîñòîÿíèÿ, òî åñòü âñå âîëíîâûå ôóíêöèè, è åùå ìíîæåñòâî äðóãèõ ñîñòîÿíèé.
111
Ïðîùå âñåãî íà÷àòü ñ ñîñòîÿíèÿ, îïèñûâàåìîãî âîëíîâîé ôóíêöèåé |ψ(t)i
(òàê íàçûâàåìîãî ÷èñòîãî ñîñòîÿíèÿ). Òîãäà ìàòðèöà ïëîòíîñòè îïèñûâàåòñÿ
âûðàæåíèåì âèäà ρ(t) = |ψ(t)ihψ(t)|, ãäå âûðàæåíèå hψ(t)| îáîçíà÷àåò ëèíåéíûé ôóíêöèîíàë, îáðàçîâàííûé âåêòîðîì |ψ(t)i, òî åñòü ýëåìåíò ñîïðÿæåííîãî
ïðîñòðàíñòâà H∗ [7]. Äàííûé ôóíêöèîíàë äåéñòâóåò íà ïðîèçâîëüíóþ âîëíîâóþ
ôóíêöèþ φ êàê ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ ôóíêöèé (ñïèíû îïóùåíû):
Z
hψ(t)|ψi =
ψ(x1 , . . . , xp , t)φ(x1 , . . . , xp )dV.
Rp
Ìàòðèöó ïëîòíîñòè ÷èñòîãî ñîñòîÿíèÿ ψ(t) ìîæíî òàêèì îáðàçîì òðàêòîâàòü
êàê ïðîåêòîð íà ñîñòîÿíèå ψ(t).
Êðîìå ýòîãî, ìàòðèöåé ïëîòíîñòè ìîæåò áûòü îïèñàíî âåðîÿòíîñòíîå ðàñïðåäåëåíèå âîëíîâûõ ôóíêöèé ψ1 , ..., ψr (t) ñ íåêîòîðûìè âåðîÿòíîñòÿìè p1 , ...,
P
pr ( i pi = 1) êàê
ρ = p1 |ψ1 (t)ihψ1 (t)| + · · · + pr |ψr (t)ihψr (t)|.
Òàêîå êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå íàçûâàåòñÿ ñìåøàííûì è îíî ïîÿâëÿåòñÿ, íàïðèìåð,
ïîñëå èçìåðåíèÿ ñîñòîÿíèÿ êâàíòîâîé ñèñòåìû. Äàííîå ñîñòîÿíèå òðàêòóåòñÿ
ñëåäóþùèì îáðàçîì: êâàíòîâàÿ ñèñòåìà íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ψ1 ñ âåðîÿòíîñòüþ p1 , ..., è â ñîñòîÿíèè ψr ñ âåðîÿòíîñòüþ pr .
Òàêèì îáðàçîì, êâàíòîâàÿ ñèñòåìà ìîæåò áûòü îïèñàíà ëèáî ÷èñòûì, ëèáî
ñìåøàííûì ñîñòîÿíèåì, è ôîðìàëèçì ìàòðèö ïëîòíîñòè ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíûì, òàê êàê ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí äëÿ îïèñàíèÿ â îáîèõ ñëó÷àÿõ. Óðàâíåíèå
Øðåäèíãåðà â ñâîþ î÷åðåäü ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ òîëüêî äëÿ îïèñàíèÿ ÷èñòûõ
ñîñòîÿíèé, òî åñòü ñîñòîÿíèé çàìêíóòûõ ñèñòåì, íàä êîòîðûìè íå ïðîèçâîäèëîñü èçìåðåíèé, ÷òî â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ÿâëÿåòñÿ ïðèåìëåìûì äîïóùåíèåì.
Ïðîåêòèâíûå èçìåðåíèÿ
Ðàññìîòðèì ïðîèçâîëüíóþ êâàíòîâóþ ñèñòåìó è âîçüìåì ôèçè÷åñêóþ âåëè÷èíó a, êîòîðàÿ ñâÿçàíà ñ ñèñòåìîé è ìîæåò ïðèíèìàòü çíà÷åíèÿ a1 , . . . , an .
Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî çàäàâ çíà÷åíèå ýòîé ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû, ìû ïîëíîñòüþ
îïðåäåëÿåì ñîñòîÿíèå êâàíòîâîé ñèñòåìû |ψi, òî åñòü ñèñòåìà îáëàäàåò n-ìåðíûì
ãèëüáåðòîâûì ïðîñòðàíñòâîì.
112
Òàê êàê â êâàíòîâîé ìåõàíèêå îïåðàòîðû, ñîîòâåòñòâóþùèå ôèçè÷åñêèì âåëè÷èíàì, ÿâëÿþòñÿ ýðìèòîâûìè, òî èõ ñîáñòâåííûå âåêòîðû îáðàçóþò îðòîíîðìèðîâàííûé áàçèñ ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà ñèñòåìû, íà êîòîðîì äåéñòâóþò
ýòè îïåðàòîðû. Ïîýòîìó åñëè âçÿòü â êà÷åñòâå áàçèñà äàííîãî ãèëüáåðòîâà ïðîñòðàíñòâà íàáîð ñîáñòâåííûõ âåêòîðîâ |a1 i, |a2 i, . . ., |an i ýðìèòîâîãî îïåðàòîðà
A ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû a ñ ñîáñòâåííûìè ÷èñëàìè a1 , . . . , an , òî ñîñòîÿíèå |ψi
êâàíòîâîé ñèñòåìû ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóïåðïîçèöèè áàçèñíûõ ñîñòîÿíèé |ψi = c1 |a1 i + · · · + cn |an i ñ êîìïëåêñíûìè êîýôôèöèåíòàìè {ci }, òàêèìè
÷òî |c1 |2 + . . . + |cn |2 = 1.
Îïðåäåëèì ïðîåêòîðû íà ñîáñòâåííûå ïîäïðîñòðàíñòâà îïåðàòîðà A ñ ïîìîùüþ ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé |ai i êàê
Pai = |ai ihai |,
i = 1, . . . , n.
Òîãäà îïåðàòîð ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû a ìîæíî çàïèñàòü êàê êîìáèíàöèþ
A = a1 Pa1 + . . . + an Pan .
Èçìåðåíèå ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû a êâàíòîâîé ñèñòåìû, íàõîäÿùåéñÿ äî èçìåðåíèÿ â ñîñòîÿíèè |ψi, åñòü ïî ñóòè èçìåðåíèå â áàçèñå |a1 i, |a2 i, . . ., |an i, òî
åñòü ðåçóëüòàòîì èçìåðåíèÿ âåëè÷èíû a êâàíòîâîé ñèñòåìû áóäåò òîëüêî îäíî
èç âîçìîæíûõ çíà÷åíèé a1 , . . . , an è êâàíòîâàÿ ñèñòåìà ïåðåéäåò â îäíî èç ñîñòîÿíèé |a1 i, . . ., |an i, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò êîíêðåòíîìó çíà÷åíèþ ôèçè÷åñêîé
âåëè÷èíû a.
Âåðîÿòíîñòü ïîëó÷èòü â ðåçóëüòàòå èçìåðåíèÿ çíà÷åíèå ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû a = ai ðàâíà
Pr(ai ) = |Pai |ψi|2 = |hai |ψi|2 = |ci |2 .
Ñòðîãî ãîâîðÿ, ïîñëå ñîâåðøåíèÿ èçìåðåíèÿ êâàíòîâàÿ ñèñòåìà íå ìîæåò áûòü
îïèñàíà òîëüêî îäíîé âîëíîâîé ôóíêöèåé |ψi, à äîëæíà îïèñûâàòüñÿ ðàñïðåäåëåíèåì âåðîÿòíîñòåé (Pr(a1 ), . . . , Pr(an )) íà ïðîñòðàíñòâå ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé
|ai i îïåðàòîðà A. Äàííîå ñîñòîÿíèå îïèñàåòñÿ ìàòðèöåé ïëîòíîñòè
ρ = Pr(a1 )Pa1 + . . . + Pr(an )Pan .
113
Ëèòåðàòóðà
[1]
Àãðà÷åâ À. À., Ñà÷êîâ Þ. Ë. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ òåîðèÿ óïðàâëåíèÿ. Ì.: Ôèçìàòëèò. 2005. 392 ñ.
[2]
Äàâûäîâ À. Ñ. Êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà. Èçä. 2. Ãëàâíàÿ ðåäàêöèÿ ôèçèêîìàòåìàòè÷åñêîé ëèòåðàòóðû èçäàòåëüñòâà "Íàóêà". 1973. 704 ñ.
[3]
Æäàíîâ Ê. Å. Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå ýâîëþöèåé ÷àñòèöû ñî ñïèíîì 1/2
â ìàãíèòíîì ïîëå // Ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ è óñòîé÷èâîñòü. 2014. Ò. 1. 1.
Ñ. 146151.
[4]
Æäàíîâ Ê. Å. Óëó÷øåíèå ìåòîäà D-MORPH äëÿ ïîèñêà îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ // Ìåæäóíàðîäíûé íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé
æóðíàë. 2016. 6-5(48). Ñ. 9499. DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.057
[5]
Æäàíîâ Ê. Å. Íîâûé ïîäõîä ê óñêîðåíèþ ìåòîäà D-MORPH äëÿ ïîèñêà îïòèìàëüíîãî êâàíòîâîãî óïðàâëåíèÿ // Ìåæäóíàðîäíûé íàó÷íîèññëåäîâàòåëüñêèé æóðíàë. 2017. 10-3(64). Ñ. 104106.
[6]
Æäàíîâ Ê. Å. Ïîïðàâêè âòîðîãî ïîðÿäêà ê ìåòîäó D-MORPH â çàäà÷å
ðåàëèçàöèè ãåéòà CNOT // Ìåæäóíàðîäíûé íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé
æóðíàë. 2018. 5(71). Ñ. 811.
[7]
Êîëìîãîðîâ À. Í., Ôîìèí Ñ. Â. Ýëåìåíòû òåîðèè ôóíêöèé è ôóíêöèîíàëüíîãî àíàëèçà. 7-å èçä. Ì.: Ôèçìàòëèò. 2004. 572 ñ.
[8]
Íèëüñåí Ì., ×àíã È. Êâàíòîâûå âû÷èñëåíèÿ è êâàíòîâàÿ èíôîðìàöèÿ /
ïåð. ñ àíãë. Ì. Áàñîâîé è äð. Ì.: Ìèð. 2006. 824 ñ.
[9]
Ðèôôåëü Ý., Ïîëàê Â. Îñíîâû êâàíòîâûõ âû÷èñëåíèé // Êâàíòîâûå êîìïüþòåðû è êâàíòîâûå âû÷èñëåíèÿ. Ìîñêâà. 2000. Ò. 1, 1. Ñ. 457.
[10]
Ñòèí Ý. Êâàíòîâûå âû÷èñëåíèÿ. Èæåâñê: ÍÈÖ ¾Ðåãóëÿðíàÿ è õàîòè÷åñêàÿ äèíàìèêà¿. 2000. 112 ñ.
114
[11]
Ôåéíìàí Ð. Ôåéíìàíîâñêèå ëåêöèè ïî ôèçèêå. 5-å èçä. Ýäèòîðèàë ÓÐÑÑ.
2010. Ò. 8,9. 526 ñ.
[12]
Ôèõòåíãîëüö Ã. Ì. Êóðñ äèôôåðåíöèàëüíîãî è èíòåãðàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ.  3ò.. Èçä. 8-å. Ì.: ÔÈÇÌÀÒËÈÒ. 2003. Ò. I. 680 ñ.
[13]
Aaronson S. The limits of quantum computers // Scientic American. 2008.
Vol. 298(3). P. 6269.
[14]
Afeyan B., Casas F., Crouseilles N., et.al. Simulations of Kinetic Electrostatic
Electron Nonlinear (KEEN) Waves with Variable Velocity Resolution Grids
and High-Order Time-Splitting // The European Physical Journal D. 2014.
Vol. 68.
[15]
Aiello C. D., Allegra M., Hemmerling B., Wan X., Cappellaro P. Algebraic
synthesis of time-optimal unitaries in SU(2) with alternating controls //
Quantum Information Processing. 2015. Vol. 14(9). P. 32333256.
[16]
Albertini F., D'Alessandro D. Notions of Controllability for Quantum
Mechanical Systems // 2001. Proceedings of the 40th IEEE Conference on
Decision and Control. 2001.
[17]
Aliferis P., Gottesman D., Preskill J. Accuracy threshold for postselected
quantum computation // Quantum Information & Computation. 2008. Vol.
8(3). P. 181244.
[18]
Allen M. P. Introduction to Molecular Dynamics Simulation // Computational
Soft Matter: From Synthetic Polymers to Proteins, Lecture Notes / Attig N.,
Binder K., Grubmuller H., Kremer K. (Eds.). Julich, 2004. P. 128.
[19]
Albertini F., Ticozzi F. Discrete-Time Controllability for Feedback Quantum
Dynamics // Automatica. 2011. Vol. 47(11). P. 24512456.
[20]
Albertini F., D'Alessandro D. Minimum Time Optimal Synthesis for a Control
System on SU(2) // Journal of Mathematical Physics. 2015. Vol. 56(1).
[21]
Albertini F., D'Alessandro D. Time Optimal Simultaneous Control of Two
Level Quantum Systems // Automatica. 2016. Vol. 74. P. 5562.
115
[22]
Alonso-Mallo I., Duran A., Reguera N. Long Time Numerical Approximation
of Coherent-Structure Solutions of the Cubic Schrodinger Equation //
Mathematical Methods in Engineering / Tas K., Tenreiro Machado J. A.,
Baleanu D. (Eds.). Springer Netherlands, 2014.
[23]
Altani C., Ticozzi F. Almost Global Stochastic Feedback Stabilization of
Conditional Quantum Dynamics. 2005. arXiv:quant-ph/0510222
[24]
Altani C. Feedback Control of Spin Systems // Quantum Information
Processing. 2007. Vol. 6(1). P. 936.
[25]
Altani C., Ticozzi F. Modeling and Control of Quantum Systems: An
Introduction // IEEE Transactions on Automatic Control. 2012. Vol. 57(8).
P. 18981917.
[26]
Ambainis A., Regev O. An Elementary Proof of the Quantum Adiabatic
Theorem. 2004. arXiv:quant-ph/0411152
[27]
Amparan G., Rojas F., Perez-Garrido A. One-qubit quantum gates in a
circular graphene quantum dot: genetic algorithm approach // Nanoscale
Research Letters. 2013. Vol. 8(1).
[28]
Andersen U. L., Leuchs G., Silberhorn C. Continuous-variable quantum
information processing // Laser & Photonics Reviews. 2010. Vol. 4(3). P. 337
354.
[29]
Andrade X., Strubbe D. A., De Giovannini U., et. al. Real-space grids and the
Octopus code as tools for the development of new simulation approaches for
electronic systems // Physical Chemistry Chemical Physics. 2015. Vol. 17(45).
P. 3137131396.
[30]
Arkhincheev V. E. Control of quantum particle dynamics by impulses of
magnetic eld // Nonlinear Dynamics. 2017. Vol. 87(3). P. 18731877.
[31]
Assemat E., Chambrion T., Sugny D. On the control by electromagnetic elds
of quantum systems with innite dimensional Hilbert space // Journal of
Mathematical Chemistry. 2015. Vol. 53(1). P. 374385.
116
[32]
Auzinger W., Kassebacher T., Koch O., Thalhammer M. Adaptive splitting
methods for nonlinear Schrodinger equations in the semiclassical regime //
Numerical Algorithms. 2016. Vol. 72(1). P. 135.
[33]
Auzinger W., Koch O., Quell M. Adaptive high-order splitting methods for
systems of nonlinear evolution equations with periodic boundary conditions
// Numerical Algorithms. 2017. Vol. 75(1). P. 261283.
[34]
Auzinger W., Hofstatter H., Ketcheson D., Koch O. Practical splitting
methods for the adaptive integration of nonlinear evolution equations. Part
I: Construction of optimized schemes and pairs of schemes // BIT Numerical
Mathematics. 2017. Vol. 57(1). P. 5574.
[35]
Bucksbaum P. H. Chapter 5. Ultrafast Quantum Control in Atoms and
Molecules // Ultrafast Nonlinear Optics / Thomson R., Leburn C., Reid D.
(Eds.). Springer International Publishing, 2013.
[36]
Bader P., Blanes S. Fourier methods for the perturbed harmonic oscillator in
linear and nonlinear Schrodinger equations // Physical Review. E, Statistical,
nonlinear, and soft matter physics. 2011. Vol. 83(4-2).
[37]
Bader P., Blanes S., Casas F. Solving the Schrodinger eigenvalue problem
by the imaginary time propagation technique using splitting methods with
complex coecients // The Journal of Chemical Physics. 2013. Vol. 139(12).
[38]
Bader P., Blanes S., Ponsoda E. Structure preserving integrators for solving
linear quadratic optimal control problems with applications to describe the
ight of a quadrotor // Journal of Computational and Applied Mathematics.
2014. Vol. 262. P. 223233.
[39]
Bader P., Blanes S., Seydaoglu M. The scaling, splitting and squaring method
for the exponential of perturbed matrices // SIAM Journal on Matrix Analysis
and Applications. 2015. Vol. 36(2). P. 594614.
[40]
Baggio G., Ticozzi F., Viola L. Quantum State Preparation by Controlled
Dissipation in Finite Time: From Classical to Quantum Controllers // 2012
IEEE 51st Annual Conference on Decision and Control (CDC). 2012.
117
[41]
Ball H., Biercuk M. J. Walsh-synthesized noise-ltering quantum logic // EPJ
Quantum Technology. 2015. Vol. 2.
[42]
Banik M., Deb P., Bhattacharya S. WignerYanase skew information and
entanglement generation in quantum measurement // Quantum Information
Processing. 2017. Vol. 16.
[43]
Beltrani V., Dominy J., Ho T., Rabitz H. Exploring the top and bottom of
the quantum control landscape // The Journal of Chemical Physics. 2011. Vol.
134(19).
[44]
Benoist T., Pellegrini C., Ticozzi F. Exponential Stability of Subspaces for
Quantum Stochastic Master Equations // Annales Henri Poincare. 2017. Vol.
18(6). P. 20452074.
[45]
Beterov I. I., Saman M., Zhukov V. P., Tretyakov D. B., Entin V. M.,
Yakshina E. A., Ryabtsev I. I., Mansell C. W., MacCormick C., Bergamini S.,
Fedoruk M. P. Coherent control of mesoscopic atomic ensembles for quantum
information // Laser Physics. 2014. Vol. 24(7).
[46]
Billig Y. Time-optimal decompositions in SU (2) // Quantum Information
Processing. 2013. Vol. 12(2). P. 955971.
[47]
Bader P., Blanes S., Ponsoda E., Seydaoglu M. Symplectic integrators for the
matrix Hill equation // Journal of Computational and Applied Mathematics.
2017. Vol. 316(C). P. 4759.
[48]
Bader P., Iserles A., Kropielnicka K., Singh P. Ecient methods for linear
Schr
odinger equation in the semiclassical regime with time-dependent potential
//Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and
Engineering Sciences. 2016. Vol. 472(2193).
[49]
Bader P. Fourier-Splitting methods for the dynamics of rotating Bose-Einstein
condensates // Journal of Computational and Applied Mathematics. 2018. Vol.
336. P. 267280.
[50]
Bader P., Blanes S., Casas F., Kopylov N., Ponsoda E. Symplectic
integrators for second-order linear non-autonomous equations // Journal of
Computational and Applied Mathematics. 2018. Vol. 330. P. 909919.
118
[51]
Bergholm V., Schulte-Herbruggen T. How to Transfer between Arbitrary nQubit Quantum States by Coherent Control and Simplest Switchable Noise
on a Single Qubit. 2012. arXiv:1206.4945
[52]
Bergholm V., Wilhelm F. K., Schulte-Herbruggen T. Arbitrary n-Qubit State
Transfer Using Coherent Control and Simplest Switchable Local Noise // APS
March Meeting 2017. 2017.
[53]
Bhole G., Jones J. A. Practical Pulse Engineering: Gradient Ascent Without
Matrix Exponentiation. 2018. Preprint: arXiv:1802.07147
[54]
Biggersta D. N., Heilmann R., Zecevik A. A., Grafe M., Broome M. A.,
Fedrizzi A., Nolte S., Szameit A., White A. G., Kassal I. Enhancing quantum
transport in a photonic network using controllable decoherence // Nature
Communications. 2016. Vol. 7.
[55]
Blanes S., Casas F., Murua A. Symplectic splitting operator methods for the
time-dependent Schrodinger equation // The Journal of Chemical Physics.
2006. Vol. 124(23).
[56]
Blanes S., Casas F., Murua A. Splitting and composition methods in the
numerical integration of dierential equations // Boletin de la Sociedad
Espanola de Matematica Aplicada. 2008. Vol. 45. P. 89145.
[57]
Blanes S., Casas F., Oteo J. A., Ros J. The Magnus expansion and some of
its applications // Physics Reports. 2009. Vol. 470(56). P. 151238.
[58]
Blanes S., Casas F., Murua A. Splitting methods with complex coecients //
SeMA Journal. 2010. Vol. 50(1). P. 4760.
[59]
Blanes S., Casas F., Murua A. Error analysis of splitting methods for the time
dependent Schrodinger equation // SIAM Journal on Scientic Computing.
2011. Vol. 33(4). P. 15251548.
[60]
Blanes S., Casas F., Murua A. Splitting methods in the numerical integration
of non-autonomous dynamical systems // Revista de la Real Academia de
Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales. Serie A. Matematicas. 2012. Vol. 106(1).
P. 4966.
119
[61]
Blanes S., Casas F., Chartier P., Murua A. Optimized high-order splitting
methods for some classes of parabolic equations // Mathematics of
Computation, American Mathematical Society. 2013. Vol. 82(283). P. 1559
1576.
[62]
Blanes S., Casas F., Farres A., et.al. New families of symplectic splitting
methods for numerical integration in dynamical astronomy // Applied
Numerical Mathematics. 2013. Vol. 68. P. 5872.
[63]
Blanes S. High order structure preserving explicit methods for solving linearquadratic optimal control problems // Numerical Algorithms. 2015. Vol. 69(2).
P. 271290.
[64]
Blanes S., Casas F., Murua A. An ecient algorithm based on splitting for
the time integration of the Schrodinger equation // Journal of Computational
Physics. 2015. Vol. 303. P. 396412.
[65]
Bloch A. M., Colombo L. J., Gupta R., Ohsawa T. Optimal Control Problems
with Symmetry Breaking Cost Functions // SIAM Journal on Applied Algebra
and Geometry. 2017. Vol. 1(1). P. 626646.
[66]
Boixo S., Ronnow T. F., Isakov S. V., et. al. Evidence for quantum annealing
with more than one hundred qubits // Nature Physics. 2014. Vol. 10. P. 218
224.
[67]
Bolognani S., Ticozzi F. Engineering Stable Discrete-Time Quantum
Dynamics via a Canonical QR Decomposition // IEEE Transactions on
Automatic Control. 2010. Vol. 55(12). P. 27212734.
[68]
Bonnard B., Sugny D. Time-minimal control of dissipative two-level quantum
systems: The integrable case // SIAM Journal on Control and Optimization.
2009. Vol. 48(3). P. 12891308.
[69]
Bonnard B., Chyba M., Sugny D. Time-Minimal Control of Dissipative Twolevel Quantum Systems: the Generic Case // IEEE Transactions on Automatic
Control. 2009. Vol. 54(11). P. 25982610.
[70]
Bonnard B., Cots O., Glaser S. J., Lapert M., Sugny D., Zhang Y. Geometric
optimal control of the contrast imaging problem in Nuclear Magnetic
120
Resonance // IEEE Transactions on Automatic Control. 2012. Vol. 57(8). P.
19571969.
[71]
Bonnard B., Cots O., Shcherbakova N. Energy Minimization Problem in Twolevel Dissipative Quantum Control: Meridian Case // Journal of Mathematical
Sciences. 2013. Vol. 195(3). P. 311335.
[72]
Bonnard B., Chyba M., Rouot J. Working Examples In Geometric Optimal
Control: PRELIMINARY VERSION. 2016. hal-01226734v2
[73]
Bonnard B., Faugere J., Jacquemard A., Safey El Din M., Verron T.
Determinantal sets, singularities and application to optimal control in medical
imagery // ISSAC'16 Proceedings of the ACM on International Symposium
on Symbolic and Algebraic Computation. 2016. P. 103110.
[74]
Bottcher A., Wenzel D. The Frobenius norm and the commutator // Linear
Algebra and its Applications. 2008. Vol. 429(89). P. 18641885.
[75]
Boussaid N., Caponigro M., Chambrion T. Weakly-coupled Systems in
Quantum Control // IEEE Transactions on Automatic Control. 2013. Vol.
58(9). P. 22052216.
[76]
Boykin T. B., Klimeck G. The discretized Schrodinger equation and simple
models for semiconductor quantum wells // European Journal of Physics. 2004.
Vol. 25. P. 503514.
[77]
Brezinski C. Extrapolation algorithms and Pade approximations: a historical
survey // Applied Numerical Mathematics. 1996. Vol. 20(3). P. 299318.
[78]
Brif C., Grace M. D., Sarovar M., Young K. C. Exploring adiabatic quantum
trajectories via optimal control // New Journal of Physics. 2014. Vol.16.
[79]
Brody D. C., Holm D. D., Meier D. M. Quantum splines // Physical Review
Letters. 2012. Vol. 109(10).
[80]
Brown K. L., Munro W. J., Kendon V. M. Using Quantum Computers for
Quantum Simulation // Entropy. 2010. Vol. 12(11). P. 22682307.
[81]
Budd C. J., Piggott M. D. Geometric Integration and its Applications //
Handbook of numerical analysis. 2003. Vol. 11. P. 35139.
121
[82]
Burgarth D., D'Alessandro D., Hogben L., Severini S., Young M. Zero forcing,
linear and quantum controllability for systems evolving on networks // IEEE
Transactions on Automatic Control. 2013. Vol. 58(9). P. 23492354.
[83]
Burger M., Pinnau R., Fouego M., Rau S. Optimal Control of Self-Consistent
Classical and Quantum Particle Systems // Trends in PDE Constrained
Optimization. 2014. P. 455470.
[84]
Buzek V., Hillery M. Universal Optimal Cloning of Qubits and Quantum
Registers // Quantum Computing and Quantum Communications. 1999. P.
235246.
[85]
Byrd M. S., Lidar D. A. BangBang Operations from a Geometric Perspective
// Quantum Information Processing. 2002. Vol. 1(12). P 1934.
[86]
Caneva T., Calarco T., Montangero S. Chopped random basis quantum
optimization // Physical Review A. 2011. Vol. 84(2).
[87]
Carlson T. Magnus' Expansion as an Approximation Tool for ODES / Thesis
(M.S.). University of Alaska Fairbanks. 2005.
[88]
Casas F. Sucient conditions for the convergence of the Magnus expansion //
Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. 2007. Vol. 40(50).
[89]
Casas F., Murua A. An ecient algorithm for computing the
BakerCampbellHausdor series and some of its applications // Journal of
Mathematical Physics. 2009. Vol. 50(3).
[90]
Casas F., Crouseilles N., Faou E., Mehrenberger M. High-order Hamiltonian
Splitting for Vlasov-Poisson Equations // Numerische Mathematik. 2017. Vol.
135(3). P. 769801.
[91]
Casas F., D'Olivo J. C., Oteo J. A. Ecient numerical integration of neutrino
oscillations in matter // Physical Review D. 2016. Vol. 94(11).
[92]
Castro A., Gross E. K. U. Chapter 13. Quantum Optimal Control / M. A. L.
Marques et al. (eds.), Fundamentals of Time-Dependent Density Functional
Theory, Lecture Notes in Physics 837. 2012
122
[93]
Castro A., Werschnik J., Gross E. K. U. Controlling the Dynamics of ManyElectron Systems from First Principles: A Combination of Optimal Control
and Time-Dependent Density-Functional Theory // Physical Review Letters.
2012. Vol. 109(15).
[94]
Celledoni E. Approximating the Exponential From a Lie Algebra to a Lie
Group // Mathematics of Computation. 2000. Vol. 69(232). P. 14571480.
[95]
Celledoni E., Iserles A. Methods for the approximation of the matrix
exponential in a Lie-algebraic setting // IMA Journal of Numerical Analysis.
2001. Vol. 21(2). P. 463488.
[96]
Chasseur T., Theis L. S., Sanders Y. R., Egger D. J., Wilhelm F. K.
Engineering adiabaticity at an avoided crossing with optimal control //
Physical Review A. 2015. Vol. 91(4).
[97]
Chen C., Dong D., Long R., Petersen I. R., Rabitz H. A. Sampling-based
learning control of inhomogeneous quantum ensembles // Physical Review A.
2014. Vol. 89(2).
[98]
Chen C., Dong D., Qi B., Petersen I. R., Rabitz H. Quantum Ensemble
Classication: A Sampling-based Learning Control Approach // IEEE
Transactions on Neural Networks and Learning Systems. 2017. Vol. 28(6). P.
13451359.
[99]
Chen X., Torrontegui E., Stefanatos D., Li J., Muga J. G. Optimal trajectories
for ecient atomic transport without nal excitation // Physical Review A.
2011. Vol. 84(4).
[100]
Chen Z. Towards qubit noise spectroscopy by quantum bang-bang control.
Thesis (S.B.). Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Physics. 2004
[101]
Childress L., Hanson R. Diamond NV centers for quantum computing and
quantum networks // MRS Bulletin. 2013. Vol. 38. P. 134138.
[102]
Chow J. M., DiCarlo L., Gambetta J. M., Motzoi F., Frunzio L., Girvin S. M.,
Schoelkopf R. J. Implementing optimal control pulse shaping for improved
single-qubit gates // Physical Review A. 2010. Vol. 82.
123
[103]
Chou Y., Huang S., Goan H. Optimal control of fast and high-delity quantum
gates with electron and nuclear spins of a nitrogen-vacancy center in diamond
// Physical Review A. 2015. Vol. 91.
[104]
Cirillo G. I., Ticozzi F. Decompositions of Hilbert Spaces, Stability Analysis
and Convergence Probabilities for Discrete-Time Quantum Dynamical
Semigroups // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. 2015.
Vol. 48(8).
[105]
Cong S., Meng F. A Survey of Quantum Lyapunov Control Methods // The
Scientic World Journal. 2013.
[106]
Cong S., Meng F., Kuang S. Quantum Lyapunov Control Based on the Average
Value of an Imaginary Mechanical Quantity // IFAC Proceedings Volumes.
2014. Vol. 47(3). P. 99919997.
[107]
Cong S., Wen J., Kuang S., Meng F. Global stabilization control of stochastic
quantum systems // Science China Information Sciences. 2016. Vol. 59.
[108]
D'Alessandro D. Lie Algebraic Analysis and Control of Quantum Dynamics.
2009. arXiv:0803.1193
[109]
D'Alessandro D. Equivalence Between Indirect Controllability and Complete
Controllability for Quantum Systems // Systems & Control Letters. 2013. Vol.
62(2). P. 188193.
[110]
D'Alessandro D., Romano R. Indirect Controllability of Quantum Systems; A
Study of Two Interacting Quantum Bits // IEEE Transactions on Automatic
Control. 2012. Vol. 57(8). P. 20092020.
[111]
D'Alessandro D., Albertini F., Romano R. Algebraic Conditions for Indirect
Controllability in Quantum Coherent Feedback Schemes // 2013 European
Control Conference (ECC). 2013. P. 27012706.
[112]
D'Alessandro D. General Methods to Control Right-Invariant Systems on
Compact Lie Groups and Multilevel Quantum Systems // Journal of Physics
A: Mathematical and Theoretical. 2009. Vol. 42(39).
124
[113]
Dallaire-Demers P., Wilhelm F. K. A method to eciently simulate the
thermodynamic properties of the Fermi-Hubbard model on a quantum
computer // Physical Review A. 2016. Vol. 93(3).
[114]
Dallaire-Demers P., Wilhelm F. K. Quantum gates and architecture for the
quantum simulation of the Fermi-Hubbard model // Physical Review A. 2016.
Vol. 94(6).
[115]
de Fouquieresa P., Schirmera S. G., Glaserb S. J., Kuprov I. Second order
gradient ascent pulse engineering // Journal of Magnetic Resonance. 2011.
Vol. 212(2). P. 412417
[116]
Delben G. J., da Luz M. G. E. General tracking control of arbitrary N-level
quantum systems using piecewise time-independent potentials // Quantum
Information Processing. 2016. Vol. 15(5). P. 19551978.
[117] DiVincenzo D. P. The Physical Implementation of Quantum Computation //
Progress of Physics. 2000. Vol. 48(911). P. 771783.
[118]
Dolde F., Bergholm V., Wang Y., Jakobi I., Pezzagna S., Meijer J.,
Neumann P., Schulte-Herbruggen T., Biamonte J., Wrachtrup J. High delity
spin entanglement using optimal control // Nature Communications. 2014. Vol.
5.
[119]
Dong D., Chen C., Long R., Qi B., Petersen I. R. Sampling-based Learning
Control for Quantum Systems with Hamiltonian Uncertainties // 2013 IEEE
52nd Annual Conference on Decision and Control (CDC). 2013.
[120]
Dong D., Mabrok M. A., Petersen I. R., Qi B., Chen C., Rabitz H. Samplingbased Learning Control for Quantum Systems with Uncertainties // IEEE
Transactions on Control Systems Technology. 2015. Vol. 23(6). P. 21552166.
[121]
Dong D., Xing X., Ma H., Chen C., Liu Z., Rabitz H. Dierential Evolution
for Quantum Robust Control: Algorithm, Applications and Experiments. 2017.
arXiv:1702.03946
[122]
Donovan A., Beltrani V., Rabitz H. Local topology at limited resource
induced suboptimal traps on the quantum control landscape // Journal of
Mathematical Chemistry. 2014. Vol. 52(2). P. 407429.
125
[123]
Donovan A., Rabitz H. Systematically altering the apparent topology
of constrained quantum control landscapes // Journal of Mathematical
Chemistry. 2015. Vol. 53(2). P. 718736.
[124]
Dawson C. M., Nielsen M. A. The SolovayKitaev Algorithm // Quantum
Information & Computation. 2006. Vol. 6(1). P. 8195.
[125] D-Wave.
The
Quantum
Computing
Company.
URL:
https://www.dwavesys.com (äàòà îáðàùåíèÿ: 03.08.2017)
[126]
Egger D. J., Wilhelm F. K. Optimized controlled Z gates for two
superconducting qubits coupled through a resonator // Superconductor
Science and Technology. 2013. Vol. 27(1).
[127]
Egger D. J., Wilhelm F. K. Adaptive hybrid optimal quantum control for
imprecisely characterized systems // Physical Review Letters. 2014. Vol.
112(24).
[128]
Egger D. J., Wilhelm F. K. Optimal Control of Quantum Measurement //
Physical Review A. 2014. Vol. 90(5).
[129]
Elboukhari M., Azizi M., Azizi A. Quantum Key Distribution Protocols: A
Survey // International Journal of Universal Computer Sciences. 2010. Vol.
1(2). P. 5967.
[130]
Engo K., Marthinsen A., Munthe-Kaas H. Z. DiMan: An object-oriented
MATLAB toolbox for solving dierential equations on manifolds // Applied
Numerical Mathematics. 2001. Vol. 39(34). P. 323347.
[131]
Fahri E., Goldstone J., Gutmann S., Sipser M. Quantum Computation by
Adiabatic Evolution. 2000. arXiv:quant-ph/0001106.
[132]
Fang G., YaoXiong W., Feng S. Optimal quantum measurement of nitedimensional systems and coherent anti-Stokes Raman spectroscopy // Chinese
Science Bulletin. 2012. Vol. 57(18). P. 22152222.
[133]
Farres A., Laskar J., Blanes S., Casas F., Makazaga J., Murua A. High
precision Symplectic Integrators for the Solar System // Celestial Mechanics
and Dynamical Astronomy. 2013. Vol. 116(2). P. 141174.
126
[134]
Feng Z., Yan R., Zhang C., Fan L. Robust Quantum Gates in DecoherenceFree Subspaces with Josephson Charge Qubits // International Journal of
Theoretical Physics. 2012. Vol. 51(7). P. 22822290.
[135]
Fitzsimons J. F. Private quantum computation: An introduction to blind
quantum computing and related protocols // npj Quantum Information. 2017.
Vol. 3.
[136]
Fowler A. G., Mariantoni M., Martinis J. M., Cleland A. N. Surface codes:
Towards practical large-scale quantum computation // Physical Review A.
2012. Vol. 86(3).
[137]
Gambetta J. M., Motzoi F., Merkel S. T., Wilhelm F. K. Analytic control
methods for high delity unitary operations in a weakly nonlinear oscillator
// Physical Review A. 2011. Vol. 83(1).
[138]
Garigipati R. C., Kumar P. Implementing gate operations between uncoupled
qubits in linear nearest neighbor arrays using a learning algorithm // Quantum
Information Processing. 2013. Vol. 12(7). P. 22912308.
[139]
Gawron P., Kurzyk D., Pawela L. Decoherence eects in the quantum qubit
ip game using Markovian approximation // Quantum Information Processing.
2014. Vol. 13(3). P. 665682.
[140]
Gerlach E., Meichsner J., Skokos C. On the symplectic integration of the
discrete nonlinear Schrodinger equation with disorder // The European
Physical Journal Special Topics. 2016. Vol. 225(67). P. 11031114.
[141]
Goerz M. H., Gualdi G., Reich D. M., Koch C. P. Optimizing for an arbitrary
perfect entangler. II. Application // Physical Review A. 2015. Vol. 91(6).
[142]
Goerz M. H., Whaley K. B., Koch C. P. Hybrid optimization schemes for
quantum control // EPJ Quantum Technology. 2015. Vol. 2.
[143]
Goerz M. H., Motzoi F., Birgitta Whaley K., Koch C. P. Charting the
circuit QED design landscape using optimal control theory // npj Quantum
Information. 2016. Vol. 3.
127
[144]
Grace M.D., Brif C., Rabitz H., Lidar D. A., et. al. Fidelity of optimally
controlled quantum gates with randomly coupled multiparticle environments
// Journal of Modern Optics. 2007. Vol. 54(1617). P. 23392349.
[145]
Gradl T., Sporl A., Huckle T., Glaser S. J., Schulte-Herbruggen T.
Parallelising Matrix Operations on Clusters for an Optimal Control-Based
Quantum Compiler // Euro-Par 2006 Parallel Processing. 2006. P. 751762.
[146]
Groszkowski P., Fowler A. G., Motzoi F., Wilhelm F. K. Tunable coupling
between three qubits as a building block for a superconducting quantum
computer // Physical Review B. 2011. Vol. 84.
[147]
Gutmann H., Wilhelm F. K., Kaminsky W. M., Lloyd S. Compensation of
decoherence from telegraph noise by means of bang-bang control // Physical
Review A. 2005. Vol. 71(2).
[148]
Hairer E. Solving dierential equations on manifolds. Universite de Geneve.
2011
[149]
Hallaji M., Zhuang C., Hayat A., Motzoi F., Khani B., Wilhelm F. K.,
Steinberg A. M. Quantum control of population transfer between vibrational
states in an optical lattice. 2015. Preprint: arXiv:1510.09186
[150]
Hasan Babu H. M. Cost-ecient design of a quantum multiplieraccumulator
unit // Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16.
[151]
He X., Yang C. Transferring multiqubit entanglement onto memory qubits in
a decoherence-free subspace // Quantum Information Processing. 2017. Vol.
16(3).
[152]
Heinosaari T., Miyadera T., Tukiainen M. Limitations on post-processing
assisted quantum programming // Quantum Information Processing. 2017.
Vol. 16.
[153]
Hellgren M., Rasanen E., Gross E. K. U. Optimal control of strong-eld
ionization with time-dependent density-functional theory // Physical Review
A. 2013. Vol. 88(1).
128
[154]
Henneke F., Liebmann M. A generalized SuzukiTrotter type method
in optimal control of coupled Schrodinger equations // Computing and
Visualization in Science. 2015. Vol. 17(6). P. 277293.
[155]
Higham N. J. The Scaling and Squaring Method for the Matrix Exponential
Revisited // SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications. 2005. Vol.
26(4). P. 11791193.
[156]
Hocker D., Rabitz H. Invariance in multi-objective quantum control. 2015.
arXiv:1507.05918
[157]
Hocker D., Kosut R., Rabitz H. PEET: a Matlab tool for estimating
physical gate errors in quantum information processing systems // Quantum
Information Processing. 2016. Vol. 15(9). P. 34893518.
[158]
Hocker D., Yan J., Rabitz H. Optimal nonlinear coherent mode transitions
in Bose-Einstein Condensates utilizing spatio-temporal controls // Physical
Review A. 2016. 93(5).
[159]
Hocker D., Zheng Y., Kosut R., Brun T., Rabitz H. Survey of control
performance in quantum information processing // Quantum Information
Processing. 2016. Vol. 15(11). P. 43614390.
[160]
Hogben H. J., Krzystyniak M., Charnock G. T. P., et.al. Spinach - a software
library for simulation of spin dynamics in large spin systems // Journal of
Magnetic Resonance. 2011. Vol. 208. P. 179194.
[161]
Iserles A., Marthinsen A., Norsett S. P. On the implementation of the
method of Magnus series for linear dierential equations // BIT Numerical
Mathematics. 1999. Vol. 39(2). P. 281304.
[162]
Iserles A., Munthe-Kaas H. Z., Norsett S. P., Zanna A. Lie-group methods
// Acta Numerica. 2005. P. 1148.
[163]
Jager G., Reich D., Goerz M.H., Koch C.P., Hohenester U. Optimal quantum
control of Bose-Einstein condensates in magnetic microtraps: Comparison of
GRAPE and Krotov optimization schemes // Physical Review A. 2014. Vol.
90(3).
129
[164] James M.R., Nurdin H. I., Petersen I.R. H ∞ Control of Linear Quantum
Stochastic Systems // IEEE Transactions on Automatic Control. 2008. Vol.
53(8). P. 17871803.
[165]
Jirari H., Wu N. Optimal state transfer of a single dissipative two-level system
// Physics of Condensed Matter. 2016. Vol. 89(4).
[166]
Joe-Wong C., Ho T., Rabitz H. On choosing the form of the objective
functional for optimal control of molecules // Journal of Mathematical
Chemistry. 2016. Vol. 54(1). P. 19.
[167]
Johansson J. R., Nation P. D., Nori F. QuTiP 2: A Python framework for
the dynamics of open quantum systems // Computer Physics Communications.
2013. Vol. 184(4). P. 12341240.
[168]
Johnson P. R., Strauch F. W., Dragt A. J., Ramos R. C., Lobb C. J.,
Anderson J. R., Wellstood F. C. Spectroscopy of capacitively coupled
Josephson-junction qubits // Physical Review B. 2003. Vol. 67(2).
[169]
Josza R. An introduction to measurement based quantum computation. 2005.
arXiv:quant-ph/0508124
[170]
Kanat B. Numerical Solution of Highly Oscillatory Dierential Equations by
Magnus Series Method / Master Degree Thesis. IZMIR. 2006
[171] textitKassal I., Whiteld J. D., Perdomo-Ortiz A., Yung M., Aspuru-Guzik A.
Simulating Chemistry Using Quantum Computers // Annual Review of
Physical Chemistry. 2011. Vol. 62. P. 185207.
[172]
Khaneja N., Brockett R., Glaser S. J. Time optimal control in spin systems
// Physical Review A. 2001. Vol. 63(3).
[173]
Khaneja N., Reiss T., Kehlet C., Schulte-Herbruggen T., Glaser S. J. Optimal
Control of Coupled Spin Dynamics: Design of NMR Pulse Sequences by
Gradient Ascent Algorithms // Journal of Magnetic Resonance. 2005. Vol.
172(2). P. 296305.
[174]
Khaneja N. Chapter 10. Problems in Control of Quantum Systems / Feedback
Control of MEMS to Atoms, Editors: Gorman J. J., Shapiro B. Springer US.
2012
130
[175]
Khani B., Gambetta J. M., Motzoi F., Wilhelm F. K. Optimal generation of
Fock states in a weakly nonlinear oscillator // Physica Scripta. 2009. Vol. 137.
[176]
Khani B., Merkel S. T., Motzoi F., Gambetta J. M., Wilhelm F. K. High
Fidelity Quantum Gates in the Presence of Dispersion // Physical Review A.
2012. Vol. 85(2).
[177]
Kirchho S., Keßler T., Liebermann P. J., Assemat E., Machnes S.,
Motzoi F., Wilhelm F. K. Optimized cross-resonance gate for coupled
transmon systems // Physical Review A. 2018. Vol. 97(4).
[178]
Kogler R. A., Neves L. Optimal probabilistic dense coding schemes //
Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16.
[179]
Kormann K., Holmgren S., Karlsson H. O. A Fourier-Coecient Based
Solution of an Optimal Control Problem in Quantum Chemistry // Journal of
Optimization Theory and Applications. 2010. Vol. 147(3). P. 491506.
[180]
Kosut R. L., Grace M. D., Brif C. Robust control of quantum gates via
sequential convex programming // Physical Review A. 2013. Vol. 88(5).
[181]
Krotov V. F. Control of the Quantum Systems and Some Ideas of the Optimal
Control Theory // Avtomatika i Telemekhanika. 2009. Issue 3. P. 1523.
[182]
Kuang S., Dong D., Petersen I. R. Rapid Lyapunov control of nitedimensional quantum systems // Automatica. 2017. Vol. 81. P. 164175.
[183]
Lakoba T. I. Long-Time Simulations of Nonlinear Schrodinger-Type Equations
using Step Size Exceeding Threshold of Numerical Instability // Journal of
Scientic Computing. 2017. Vol. 72(1). P. 1448.
[184]
Li B., Yu Z., Fei S., Li-Jost X. Time optimal quantum control of twoqubit systems // Science China Physics, Mechanics and Astronomy. 2013. Vol.
56(11). P. 21162121.
[185]
Liebermann P. J., Wilhelm F. K. Optimal Qubit Control Using Single-Flux
Quantum Pulses // Physical Review Applied. 2016. Vol. 6(2).
131
[186]
Liebermann P. J., Dallaire-Demers P., Wilhelm F. K. Implementation of the
iFREDKIN gate in scalable superconducting architecture for the quantum
simulation of Fermionic systems. 2017. arXiv:1701.07870
[187]
Linke N. M., Maslov D., Roetteler M., Debnath S., Figgatt C.,
Landsman K. A., Wright K., Monroe C. Experimental Comparison of Two
Quantum Computing Architectures // Proceedings of the National Academy
of Sciences. 2017. Vol. 114. P. 33053310.
[188]
Liu H., Wang Y., Shuang F. Optimal Single Quantum Measurement of Multilevel Quantum Systems between Pure State and Mixed State // Informatics
in Control, Automation and Robotics. 2012. P. 351360.
[189]
Liu W., Sun J., Wu B. GalerkinChebyshev spectral method and block
boundary value methods for two-dimensional semilinear parabolic equations
// Numerical Algorithms. 2016. Vol. 71(2). P. 437455.
[190]
Lu D., Brodutch A., Park J., Katiyar H., Jochym-O'Connor T., Laamme R.
NMR Quantum Information Processing // Electron Spin Resonance (ESR)
Based Quantum Computing / Takeji H., Lawrence B., Graeme H. (Eds.).
Springer-Verlag New York, 2016. Vol. 31. P. 193226.
[191]
Luiz F. S., Rigolin G. Teleportation-based continuous variable quantum
cryptography // Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16.
[192]
Machnes S., Sander U., Glaser S.J., Fouquieres P. D., Gruslys A.,
Schirmer S., Schulte-Herbrueggen T. Comparing, Optimising and
Benchmarking Quantum Control Algorithms in a Unifying Programming
Framework // Physical Review A. 2011. Vol. 84(2).
[193]
Machnes S., Tannor D. J., Wilhelm F. K., Assemat E. Gradient optimization
of analytic controls: the route to high accuracy quantum optimal control //
Physical Review Letters. 2018. Vol. 120(15).
[194]
Marcilla J. A. B., Castro A. Ultrafast single electron spin manipulation in 2D
semiconductor quantum dots with optimally controlled time-dependent electric
elds through spin-orbit coupling // The European Physical Journal B. 2015.
Vol. 88.
132
[195]
Mardoukhi Y., Rasanen E. Optimal control of charge with local gates in
quantum-dot lattices // The European Physical Journal B. 2014. Vol. 87.
[196]
Martin L., Motzo F., Li H., Sarovar M., Birgitta Whaley K. Deterministic
generation of remote entanglement with active quantum feedback // Physical
Review A. 2015. Vol. 92(6).
[197]
Masada G., Miyata K., Politi A., Hashimoto T., O'Brien J. L., Furusawa A.
Continuous variable entanglement on a chip // Nature Photonics. 2015. Vol.
9, P. 316319.
[198]
Mehta K. K., Bruzewicz C. D., McConnell R., Ram R. J., Sage J. M.,
Chiaverini J. Integrated optical addressing of an ion qubit // Nature
Nanotechnology. 2016. Vol. 11. P. 10661070.
[199]
Meister S., Stockburger J. T., Schmidt R., Ankerhold J. Optimal control
theory with arbitrary superpositions of waveforms // Journal of Physics A:
Mathematical and Theoretical. 2014. Vol. 47(49).
[200]
Mishima K., Yamashita K. Free-Time and Fixed End-Point Multitarget
Optimal Control Theory Applied to Quantum Computing // Electron Spin
Resonance (ESR) Based Quantum Computing. 2016. P. 119165.
[201]
Mizrahi J., Neyenhuis B., Johnson K. G., Campbell W. C., Senko C.,
Hayes D., Monroe C. Quantum control of qubits and atomic motion using
ultrafast laser pulses // Applied Physics B. 2014. Vol. 114(12). P. 4561.
[202]
Moore K. W. Search complexity and resource scaling for the quantum optimal
control of unitary transformations / R. Chakrabarti, G. Riviello, H. Rabitz //
Physical Review A. 2011. Vol. 83(1).
[203] Moore K. W. Exploring constrained quantum control landscapes / H. Rabitz
// The Journal of Chemical Physics. 2012. Vol. 137(13).
[204]
Moore Tibbetts K., Brif C., Grace M. D., Donovan A., Hocker D. L., Ho T.,
Wu R., Rabitz H. Exploring the trade-o between delity- and time-optimal
control of quantum unitary transformations // Physical Review A. 2012. Vol.
86(6).
133
[205]
Mostame S., Huh J., Kreisbeck C., Kerman A. J., Fujita T., Eisfeld A.,
Aspuru-Guzik A. Emulation of complex open quantum systems using
superconducting qubits // Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16(2).
P. 116.
[206]
Motzoi F., Gambetta J. M., Rebentrost P., Wilhelm F. K. Simple pulses for
elimination of leakage in weakly nonlinear qubits // Physical Review Letters.
2009. Vol. 103(11).
[207]
Munthe-Kaas H. Z. High order RungeKutta methods on manifolds // Applied
Numerical Mathematics. 1999. Vol. 29(1). P. 115127.
[208]
Murtha Z., Rabitz H. Non-iterative optimal design of quantum controls //
The European Physical Journal D Atomic, Molecular, Optical and Plasma
Physics. 2001. Vol. 14(2). P. 141145.
[209]
Nandipati K. R., Kanakati A. K. Optimal control of vibrational transitions of
HCl // Pramana. 2016. Vol. 87(4).
[210]
Nanduri A., Donovan A., Ho T., Rabitz H. Exploring Quantum Control
Landscape Structure // Physical Review A. 2013. Vol. 88(3).
[211]
Nanduri A., Shir O. M., Donovan A., Ho T., Rabit H. Exploring the
complexity of quantum control optimization trajectories // Physical Chemistry
Chemical Physics. 2015. Vol. 17. P. 334347.
[212]
Negretti A., Benseny A., Mompart J., Calarco T. Speeding up the spatial
adiabatic passage of matter waves in optical microtraps by optimal control //
Quantum Information Processing. 2013. Vol. 12(3). P. 14391467.
[213]
Nielsen M. A. A geometric approach to quantum circuit lower bounds //
Quantum Information & Computation. 2006. Vol. 6(3). P. 213262.
[214]
Niu M. Y., Boixo S., Smelyanskiy V., Neven H. Universal Quantum Control
through Deep Reinforcement Learning. 2018. Preprint: arXiv:1803.01857
[215]
Nurdin H. I., James M. R., Petersen I. R. Coherent Quantum LQG Control
// Journal Automatica. Vol. 45(8). 2009. P. 18371846.
134
[216]
Oliver W. D. Quantum control: Engineering a revolution // Nature Physics.
2014. Vol. 10. P. 794795.
[217]
Paduro E., Sigalotti M. Approximate controllability of the two trapped ions
system // Quantum Information Processing. 2015. Vol. 14(7). P. 23972418.
[218]
Palittapongarnpim P., Wittek P., Zahedinejad E., Vedaie S., Sanders B. C.
Learning in Quantum Control: High-Dimensional Global Optimization for
Noisy Quantum Dynamics // Neurocomputing. 2017. Vol. 268(13). P. 116
126.
[219]
Palao J. P., Koslo R. Quantum Computing by an Optimal Control Algorithm
for Unitary Transformations // Physical Review Letters. 2002. Vol. 89(18).
[220]
Pati A. K., Pradhan B., Agrawal P. Entangled brachistochrone: minimum
time to reach the target entangled state // Quantum Information Processing.
2012. Vol. 11(3). P. 841851.
[221]
Pawela L., Puchala Z. Quantum control with spectral constraints // Quantum
Information Processing. 2014. Vol. 13(2). P. 227237.
[222]
Pawela L., Puchala Z. Quantum control robust with respect to coupling with
an external environment // Quantum Information Processing. 2015. Vol. 14(2).
P. 437446.
[223]
Pawela L., Sadowski P. Various methods of optimizing control pulses for
quantum systems with decoherence // Quantum Information Processing. 2016.
Vol. 15(5), P. 19371953.
[224]
Paz-Silva G. A., Lee S., Green T. J., Viola L. Dynamical decoupling sequences
for multi-qubit dephasing suppression and long-time quantum memory // New
Journal of Physics. 2016. Vol. 18.
[225]
Pechen A., Prokhorenko D., Wu R., Rabitz R. Control landscapes for two-level
open quantum systems // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical.
2008. Vol. 41(4).
[226]
Pechen A. N., Brif C., Wu R., Chakrabarti R., Rabitz H. General unifying
features of controlled quantum phenomena // Phys. Rev. A. 2010. Vol. 82(3).
135
[227]
Pechen A. N., Tannor D. J. Are there traps in quantum control landscapes?
// Physical Review Letters. 2011. Vol. 106(12).
[228]
Pechen A. N. Quantum Measurements As a Control Resource // OSA
Technical Digest (Berlin, Germany, March 19-21, 2012). Optical Society of
America. 2012.
[229]
Pechen A. N, Tannor D. J. Quantum control landscape for a Λ-atom in the
vicinity of second order traps // Israel Journal of Chemistry. 2012. Vol. 52(5).
P. 467472.
[230]
Pechen A. N., Il'in N. B. Coherent Control of a Qubit Is Trap-Free //
Proceedings of the Steklov Institute of Mathematics. 2014. Vol. 285(1). P.
233240.
[231]
Pechen A.!N., Rabitz H. Incoherent Control of Open Quantum Systems //
Journal of Mathematical Sciences. 2014. Vol. 199(6). P. 695701.
[232]
Pechen A. N., Il'in N. B. On the Problem of Maximizing the Transition
Probability in an n-Level Quantum System Using Nonselective Measurements
// Proceedings of the Steklov Institute of Mathematics. 2016. Vol. 294(1). P.
233240.
[233]
Petersen I. R. Robustness Issues in Quantum Control / Encyclopedia of
Systems and Control. Springer, London. 2014
[234]
Phogat K. S., Chatterjee D., Banavar R. Discrete-time Maximum Principle
on Matrix Lie Groups. 2016. arXiv:1612.08022
[235]
Pihajoki P. Explicit methods in extended phase space for inseparable
Hamiltonian problems // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy.
2015. Vol. 121(3). P. 211231.
[236]
Plenio M., Vitelly V. The physics of forgetting: Landauer's erasure principle
and information theory // Contemporary Physics. 2001. Vol. 42(1). P. 2560.
[237]
Potz W. Indirect optimal control of a double quantum dot // Journal of
Computational Electronics. 2007. Vol. 6(13). P. 171174.
136
[238]
Powell M. J. D. The NEWUOA software for unconstrained optimization
without derivatives // Large-Scale Nonlinear Optimization. 2006. Vol. 83. P.
255297.
[239]
Praprotnik M., Janezic D. Molecular dynamics integration and molecular
vibrational theory. II. Simulation of nonlinear molecules // The Journal of
Chemical Physics. 2005. Vol. 122(17).
[240]
Prentice J. S. C. Runge-Kutta Methods: Local error control does not imply
global error control // Prentice Journal of Pure and Applied Mathematics:
Advances and Applications. 2011. Vol. 6(1). P. 7184.
[241]
Puchala Z. Local controllability of quantum systems // Quantum Information
Processing. 2013. Vol. 12(1). P. 459466.
[242]
Qi H., Dowling J. P., Viola L. Optimal digital dynamical decoupling
for general decoherence via Walsh modulation // Quantum Information
Processing. 2017. Vol. 16(11). P. 118.
[243] Quantum A.I. Research at Google. URL: https://research.google.com/
pubs/QuantumAI.html (äàòà îáðàùåíèÿ: 30.03.2018).
[244] Quantum
Computing
IBM
Q
US.
URL:
https://www.research.ibm.com/ibm-q (äàòà îáðàùåíèÿ: 03.08.2017).
[245] Quantum Development Kit | Microsoft. URL: https://www.microsoft.com/
en-us/quantum/development-kit (äàòà îáðàùåíèÿ: 30.03.2018).
[246]
Rabitz H., Wu R., Ho T., Moore Tibbetts K., Feng X. Chapter 2. Fundamental
Principles of Control Landscapes with Applications to Quantum Mechanics,
Chemistry and Evolution / Recent Advances in the Theory and Application
of Fitness Landscapes. 2014.
[247]
Ramanathan C., Boulant N., Chen Z., Cory D. G., Chuang I., Steen M.
NMR Quantum Information Processing // Quantum Information Processing.
2004. Vol. 3(15). P. 1544.
[248]
Rasanen E., Heller E. J. Optimal control of quantum revival // The European
Physical Journal B. 2013. Vol. 86.
137
[249]
Rasanen E., Putaja A., Mardoukhi Y. Optimal control strategies for coupled
quantum dots // Central European Journal of Physics. 2013. Vol. 11(9). P.
10661073.
[250]
Raussendorf R., Browne D. E., Brigel H. J. Measurement-based quantum
computation on cluster states // Phys. Rev. A. 2003. Vol. 68(2).
[251]
Raychev N. Formalized Quantum Model for Solving the Eigenfunctions //
Journal of Quantum Information Science. 2016. Vol. 6(1).
[252]
Raychev N. Interactive Quantum Development Environment (IQDE) //
Journal of Quantum Information Science. 2016. Vol. 6(2).
[253]
Rebentrost P., Serban I., Schulte-Herbruggen T., Wilhelm F. K. Optimal
control of a qubit coupled to a non-Markovian environment // Physical Review
Letters. 2009. Vol. 102(9).
[254]
Rebentrost P., Wilhelm F. K. Optimal control of a leaking qubit // Physical
Review B. 2009. Vol. 79(6).
[255]
Reich D.M., Katz N., and Koch C.P. Exploiting Non-Markovianity of the
Environment for Quantum Control // Scientic Reports.2015. Vol. 5.
[256]
Riviello G., Brif C., Long R., Wu R., Moore Tibbetts K., Ho T., Rabitz H.
Searching for quantum optimal controls in the presence of singular critical
points // Physical Review A. 2014. Vol. 90(1).
[257]
Riviello G., Moore Tibbetts K., Brif C., Long R., Wu R., Ho T., Rabitz H.
Searching for quantum optimal controls under severe constraints // Physical
Review A. 2015. Vol. 91(4).
[258]
Rol M. A., Bultink C. C., O'Brien T. E., de Jong S. R., Theis L. S.,
Fu X., Luthi F., Vermeulen R. F. L., de Sterke J. C., Bruno A., Deurloo D.,
Schouten R. N., Wilhelm F. K., DiCarlo L. Restless Tuneup of High-Fidelity
Qubit Gates // Physical Review Applied. 2017. Vol. 7(4).
[259]
Romano R., D'Alessandro D. Minimum time control of a pair of two-level
quantum systems with opposite drifts // Journal of Physics A: Mathematical
and Theoretical. 2016. Vol. 49(34).
138
[260]
Rossmann W. Lie Groups: An Introduction Through Linear Groups /
Rossmann W. New York: Oxford University Press, 2006. 265 p.
[261]
Russell B., Stepney S. Geometric Methods for Analysing Quantum Speed
Limits: Time-Dependent Controlled Quantum Systems with Constrained
Control Functions // UCNC 2013: Unconventional Computation and Natural
Computation. 2013. P. 198208.
[262]
Russell B., Rabitz H., Wu R. Quantum Control Landscapes Beyond the Dipole
Approximation. 2016. arXiv:1602.06250
[263]
Saman M. Quantum computing with atomic qubits and Rydberg interactions:
progress and challenges // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical
Physics. 2016. Vol. 29(20).
[264]
Sanders Y. R., Wallman J. J., Sanders B. C. Bounding quantum gate error
rate based on reported average delity // New Journal of Physics. 2016. Vol.
18(1).
[265]
Scaramuzza P., Ticozzi F. Switching Quantum Dynamics for Fast Stabilization
// Physical Review A. 2015. Vol. 91(6).
[266]
Schirmer S. G., de Fouquieres P. Ecient Algorithms for Optimal Control of
Quantum Dynamics: The Krotov Method unencumbered // New Journal of
Physics. 2011. Vol. 13.
[267]
Schuld M., Sinayskiy I., Petruccione F. An introduction to quantum machine
learning // Contemporary Physics. 2015. Vol. 56(2). P. 172185.
[268]
Schutjens R., Abu Dagga F., Egger D. J., Wilhelm F. K. Single qubit gates in
frequency-crowded transmon systems // Physical Review A. 2013. Vol. 88(5).
[269]
Seydaoglu M., Blanes S. High-order splitting methods for separable nonautonomous parabolic equations // Applied Numerical Mathematics. 2013.
Vol. 84.
[270]
Shampine L. F. The MATLAB ODE Suite / L. F. Shampine, M. W. Reichelt
// SIAM Journal on Scientic Computing. 1997. Vol. 18(1). P. 122.
139
[271]
Shang T., Li K., Liu J. Continuous-variable quantum network coding for
coherent states // Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16(4). P. 124.
[272]
Sharma S., Balint-Kurti G. G., Singh H. Design of optimal laser pulses to
control molecular rovibrational excitation in a heteronuclear diatomic molecule
// Journal of Chemical Sciences. 2012. Vol. 124(1). P. 99104.
[273]
Shauro V. Exact solutions for time-optimal control of spin I = 1 by NMR //
Quantum Information Processing. 2015. Vol. 14(4).
[274]
Shi Z. C., Wang L. C., Yi X. X. Preparing entangled states by Lyapunov
control // Quantum Information Processing. 2016. Vol. 15(12). P 49394953.
[275]
Shir O. M., Roslund J., Leghtas Z., Rabitz H. Quantum Control Experiments
as a Testbed for Evolutionary Multi-Objective Algorithms // Genetic
Programming and Evolvable Machines. 2012. Vol. 13(4). P. 445491.
[276]
Shor P. W. Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete
Logarithms on a Quantum Computer // SIAM Journal on Computing. 1997.
Vol. 26(5). P. 14841509.
[277]
Shuang C., Jianxiu L. Trajectory Tracking Theory of Quantum Systems //
Journal of Systems Science and Complexity. 2014. Vol. 27(4). P. 679693.
[278]
Shuang F., Pechen A., Ho T., Rabitz H. Observation-assisted optimal control
of quantum dynamics // The Journal of Chemical Physics. 2007. Vol. 126(13).
[279]
Sibson P., Erven C., Godfrey M., Miki S., Yamashita T., Fujiwara M.,
Sasaki M., Terai H., Tanner M. G., Natarajan C. M., Hadeld R. H.,
O'Brien J. L., Thompson M. G. Chip-based Quantum Key Distribution //
Nature Communications. 2017. Vol. 8.
[280]
Sjoqvist E., Mousolou V. A., Canali C. M. Conceptual aspects of geometric
quantum computation // Quantum Information Processing. 2016. Vol. 15(10).
P. 39954011.
[281]
Soare A., Ball H., Hayes D., Sastrawan J., et. al. Experimental noise ltering
by quantum control // Nature Physics. 2014. Vol. 10. P. 825829.
140
[282]
Sporl A., Schulte-Herbruggen T., Glaser S. J., Bergholm V., Storcz M. J.,
Ferber J., Wilhelm F. K. Optimal Control of Coupled Josephson Qubits //
Physical Review A. 2007. Vol. 75(1).
[283]
Stefanatos D. Optimal Design of Minimum Energy Pulses for Bloch Equations
in the case of Dominant Transverse Relaxation // Physical Review A. 2009.
Vol. 80(4).
[284]
Stefanatos D., Li J. Constrained Minimum-Energy Optimal Control of the
Dissipative Bloch Equations // Systems & Control Letters. 2010. Vol. 59(10).
P. 601607.
[285]
Stefanatos D, Schaettler H., Li J. Time-Optimal Frictionless Atom Cooling
in Harmonic Traps // SIAM Journal on Control and Optimization. 2011. Vol.
49. P. 24402462.
[286]
Stefanatos D., Li J. The Role of Singular Control in Frictionless Atom Cooling
in a Harmonic Trapping Potential // 2012 American Control Conference,
Montreal, Canada. 2012. P. 50615066.
[287]
Stefanatos D, Li J. Time-Optimal Adiabatic-Like Expansion of Bose-Einstein
Condensates // Physical Review A. 2012. Vol. 86.
[288]
Stefanatos D. Optimal Shortcuts to Adiabaticity for a Quantum Piston //
Automatica. 2013. Vol. 49(10). P. 30793083.
[289]
Stefanatos D. Optimal Eciency of a Noisy Quantum Heat Engine // Physical
Review E. 2014. 90(1).
[290]
Stefanatos D. Minimum-Time Quantum Transport with Bounded Trap
Velocity // IEEE Transactions on Automatic Control. 2014. Vol. 59(3). P.
733738.
[291]
Stefanatos D. Minimum-Time Cavity Optomechanical Cooling // Automatica.
2016. Vol. 73. P. 7175.
[292]
Stefanatos D. Maximizing optomechanical entanglement with optimal control
// Quantum Science and Technology. 2017. Vol. 2(1).
141
[293]
Stefanatos D. Minimum-Time Transitions between Thermal Equilibrium
States of the Quantum Parametric Oscillator // IEEE Transactions on
Automatic Control. 2017. Vol. 62(8). P. 42904297.
[294]
Stefanatos D. Minimum-Time Transitions between Thermal and Fixed Average
Energy States of the Quantum Parametric Oscillator // SIAM Journal on
Control and Optimization. 2017. Vol. 55(3). P. 14291451.
[295]
Steiger D. S., Haner T., Troyer M. ProjectQ: An Open Source Software
Framework for Quantum Computing // Quantum: the open journal for
quantum science. 2018. Vol. 2.
[296]
Stevens K. E., Amini J. M., Doret S. C., Mohler G., Volin C., Harter A. W.
Automating quantum experiment control. From circuit compilation to ion
routing // Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16(3).
[297]
Storcz M. J., Vala J., Brown K. R., Kempe J., Wilhelm F. K., Whaley K. B.
Full protection of superconducting qubit systems from coupling errors //
Physical Review B. 2005. Vol. 72(6).
[298]
Strauch F. W., Johnson P. R., Dragt A. J., Lobb C. J., Anderson J. R.,
Wellstood F. C. Quantum logic gates for coupled superconducting phase qubits
// Physical Review Letters. 2003. Vol. 91(1617).
[299]
Sun J., Lu S., Li L. Is the addition of an assisted driving Hamiltonian always
useful for adiabatic evolution? // Quantum Information Processing. 2017. Vol.
16(4).
[300]
Sun Q., Pelczer I., Riviello G., Wu R., Rabitz H. Experimental exploration
over a quantum control landscape through NMR // Physical Review A. 2014.
Vol. 89(3).
[301]
Tang N., Wang G., Fan Z., Zeng H. Non-Markovian Dynamics of an Open
Two-Level System with Amplitude-Phase Damping // Journal of Quantum
Information Science. 2013. Vol. 3. P. 2733.
[302]
Theis L. S., Motzoi F., Wilhelm F. K. Simultaneous gates in frequencycrowded multilevel systems using fast, robust, analytic control shapes //
Physical Review A. 2016. Vol. 93.
142
[303]
Ticozzi F., Ferrante A., Pavon M. Robust Steering of n-level Quantum
Systems // IEEE Transactions on Automatic Control. 2004. Vol. 49(10). P.
17421746.
[304]
Ticozzi F., Viola L. Single-bit Feedback and Quantum Dynamical Decoupling
// Physical Review A. 2006. Vol. 74(5).
[305]
Ticozzi F., Viola L. Analysis and synthesis of attractive quantum Markovian
dynamics // Automatica. 2009. Vol. 45(9). P. 20022009.
[306]
Ticozzi F., Viola L. Quantum Markovian Subsystems: Invariance, Attractivity,
and Control // IEEE Transactions on Automatic Control. 2008. Vol. 53(9). P.
20482063.
[307]
Ticozzi F., Schirmer S. G., Wang X. Stabilizing Quantum States by
Constructive Design of Open Quantum Dynamics // IEEE Transactions on
Automatic Control. 2010. Vol. 55(12). P. 29012905.
[308]
Ticozzi F., Lucchese R., Cappellaro P., Viola L. Hamiltonian Control of
Quantum Dynamical Semigroups: Stabilization and Convergence Speed //
IEEE Transactions on Automatic Control. 2012. Vol. 57(8). P. 19311944.
[309]
Ticozzi F., Nishio K., Altani C. Stabilization of Stochastic Quantum
Dynamics via Open and Closed Loop Control // IEEE Transactions on
Automatic Control. 2013. Vol. 58(1). P. 7485.
[310]
Ticozzi F., Viola L. Stabilizing Entangled States with Quasi-Local Quantum
Dynamical Semigroups // Philosophical Transactions of the Royal Society
of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2012. Vol.
370(1979).
[311]
Ticozzi F., Viola L. Steady-state Entanglement by Engineered Quasi-local
Markovian Dissipation // Quantum Information & Computation. 2014. Vol.
14(34). P. 265294.
[312]
Ticozzi F., Viola L. Quantum resources for purication and cooling:
fundamental limits and opportunities // Scientic Reports. 2014. Vol. 4.
143
[313]
Ticozzi F., Zuccato L., Johnson P. D., Viola L. Alternating Projections
Methods for Discrete-time Stabilization of Quantum State // IEEE
Transactions on Automatic Control. 2018. Vol. 63(3). P. 819826.
[314]
Trushkova E. A. On One Class of Optimal Control Problems for Quantum
Systems // Automation and Remote Control. 2013. Vol. 74(1). P. 2635.
[315]
de Vega I., Alonso D. Dynamics of non-Markovian open quantum systems //
Review of Modern Physics. 2017. Vol. 89(1).
[316]
Viola L., Lloyd S. Dynamical suppression of decoherence in two-state quantum
systems // Physical Review A. 1998. Vol. 58(4).
[317]
Wang C., Jonckheere E., Brun T. Dierential geometric treewidth estimation
in adiabatic quantum computation // Quantum Information Processing. 2016.
Vol. 15(10). P. 39513966.
[318]
Wang Y., Wu R., Chen X., Ge Y., Shi J., Rabitz H., Shuang F. Quantum
state transformation by optimal projective measurements // Journal of
Mathematical Chemistry. 2011. Volume 49(2). P 507519.
[319]
WenFeng L., ChenBin Z., ZongHai C. Multi-step evolution and measurement
control of nite-dimensional quantum systems // Chinese Science Bulletin.
2012. Vol. 57(18). P. 22332241.
[320]
von Winckel G. A Globalized Newton Method for the Optimal Control of
Fermionic Systems / Control and Optimization with PDE Constraints. 2013.
[321]
Wiseman H. M., Bouten L. Optimality of Feedback Control Strategies for
Qubit Purication // Quantum Information Processing. 2008. Vol. 7(23). P.
7183.
[322]
Wu R., Pechen A. N., Brif C., Rabitz H. Controllability of open quantum
systems with Kraus-map dynamics // Journal of Physics A: Mathematical
and Theoretical. 2007. Vol. 40(21).
[323]
Wu R., Dominy J., Ho T., Rabitz H. Singularities of Quantum Control
Landscapes // Physical Review A. 2012. Vol. 86(1).
144
[324]
Wu R., Brif C., James M. R., Rabitz H. Limits of optimal control yields
achievable with quantum controllers // Physical Review A. 2015. Vol. 91(4).
[325]
Wu N., Frohling N., Xing X., Hackmann J., Nanduri A., Anders F. B.,
Rabitz H. Decoherence of a single spin coupled to an interacting spin bath
// Physical Review B. 2016. Vol. 93(3).
[326]
Wu R., Chu B., Owens D. H., Rabitz H. Data-driven gradient algorithm for
high-precision quantum control // Physical Review A. 2018. Vol. 97.
[327] Xiang C., Petersen I. R., Dong D. Coherent Robust H ∞ Control of Uncertain
Linear Quantum Stochastic Systems // 2015 54th IEEE Conference on
Decision and Control (CDC). 2015.
[328]
Ying M., Yu N., Feng Y. Dening Quantum Control Flow. 2012.
arXiv:1209.4379
[329]
Yu P., ZaiRong X., Wei C. Available control in dynamical decoupled quantum
systems // Chinese Science Bulletin. 2012. Vol. 57(18). P. 22282232.
[330]
Zahedinejad E., Schirmer S., Sanders B. C. Evolutionary Algorithms for Hard
Quantum Control // Physical Review A. 2014. Vol. 90(3).
[331]
Zhang J. Geometric method in quantum control // Chinese Science Bulletin.
2012. Vol. 57(18), P. 22232227.
[332]
Zhang J., A. Chen. Enhancement of genuine multipartite entanglement and
purity of three qubits under decoherence via bangbang pulses with nite
period // Quantum Information Processing. 2016. Vol. 15(8). P. 32573271.
[333]
Zhang X., Shao B., Zou J. Optimal Control for Fast and Robust Generation
of Entangled States in Anisotropic Heisenberg Chains // International Journal
of Theoretical Physics. 2017. Vol. 56(5). P. 16161624.
[334]
Zhdanov D. V., Seideman T. Role of control constraints in quantum optimal
control // Physical Review A. 2015. Vol. 92(5).
[335]
Zhou S. S., Loke T., Izaac J. A., Wang J. B. Quantum Fourier transform in
computational basis // Quantum Information Processing. 2017. Vol. 16(3).
145
[336]
Zu C., Wang W. B., He L., Zhang W. G., Dai C. Y., Wang F., Duan L. M.
Experimental Realization of Universal Geometric Quantum Gates with SolidState Spins // Nature. 2014. Vol. 514(7520). P.7275.
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв