Universität zu Köln

Rembold, Phila ORCID: 0000-0003-1405-730X (2022). Quantum Optimal Control of Spin Systems and Trapped Atoms. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Quantum technology is advancing from the lab into the commercial world. However, this path from scientific discovery to revolutionising technology cannot be built without the precise control of quantum systems. Quantum optimal control describes a family of techniques that improve quantum operations by systematically shaping the control fields applied to the system. The bespoke control strategies that optimisations can offer push quantum hardware to realise its full potential. In this thesis, we apply optimal control to spin systems, namely nitrogen-vacancy centres in diamond and pentacene-doped naphthalene, as well as to trapped atoms, specifically Rydberg atoms, and ultracold atomic condensates. Generally, a well-modelled system with a clear objective corresponds to a well-defined control problem approachable via open-loop optimisation, i.e. by using a model. However, when unknown experimental or environmental factors have a strong influence, the complexity of the control problem increases. Once any viable model diverges from reality, closed-loop, i.e. feedback-based, control offers a solution. From the collection of quantum optimal control methods, we focus on the dressed chopped random basis algorithm combined with a gradient-free search. This pairing enables us to apply bandwidth restrictions and limit the number of optimisation parameters, simplifying closed-loop applications. We introduce several techniques and modifications, such as a novel basis approach, that allow efficient closed-loop control using the ``RedCRAB'' software package. As a result, we optimise for the following very distinct goals each on a different platform: sensitivity, hyperpolarisation, number squeezing, and entangled state preparation. All four objectives directly or indirectly improve sensing methods. Enhancing the sensitivity of shallow nitrogen-vacancy centres presents an opportunity for improving diamond-based scanning probe magnetometers. Hyperpolarisation of materials such as naphthalene crystals promises to enable more precise cancer cell imaging. Atom interferometry is used to detect minimal changes in the gravitational field. The number-squeezed states whose creation we explore could increase that sensitivity further. Lastly, large entangled states are the key to exceeding the classical sensitivity limit. We create a record-breaking 20-qubit entangled state via optimisation. Ultimately, these results show how quantum optimal control interconnects and boosts the rise of quantum technology across the platforms.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Optimale Quantenkontrolle von Spinsystemen und gefangenen Atomen German
Translated abstract:	Abstract Language Die Quantentechnologie ist auf dem Weg aus dem Labor in die kommerzielle Welt. Allerdings führt dieser nicht an der präzisen Kontrolle der Quantensysteme in ihrem Herzen vorbei. Die optimale Quantenkontrolle besteht aus einer Familie von Algorithmen, die Kontrollfelder systematisch verformen, um einen Quantenprozess zu verbessern. Die maßgeschneiderten Kontrollstrategien, die mit Hilfe der optimalen Quantenkontrolle produziert werden, ermöglichen es, das volle Potential der Quantenhardware auszuschöpfen. In dieser Dissertation wenden wir optimale Kontrolle auf Spinsysteme und gefangenen Atome an. Im Allgemeinen entspricht ein gutmodeliertes System mit einem klaren Ziel einem wohldefinierten Kontrollproblem. Dieses kann durch eine modellbasierte Optimierung angegangen werden. Wenn das Experiment oder die Umgebung allerdings unbekannte Faktoren mit einem starken Einfluss aufweisen, erhöht sich die Komplexität des Kontrollproblems. Sobald das Modell an seine Grenzen stößt und sich zu weit von der Realität entfernt,\break bietet sich eine experimentbasierte Optimierung an. Wir fokussieren uns auf den sogenann-ten dCRAB-Algorithmus kombiniert mit einer ableitungsfreien Suche. Diese Auswahl erlaubt es uns, Bandbreitenbegrenzungen zu implementieren und die Anzahl der Optimierungsparameter einzuschränken, was die experimentbasierte Optimierung erleichtert. Wir führen verschiedene Techniken und Modifikationen ein, darunter einen neuen Basisansatz. Diese Erweiterungen ermöglichen effizientere experimentbasierte Quantenkontrolle über das Softwarepaket ``RedCRAB''. Im Ergebnis optimieren wir Kontrollprobleme mit den folgenden äußerst unterschiedlichen Zielstellungen: Das Verbessern der Sensitivität von flachen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren eröffnet die Möglichkeit diamantbasierte Rastersondenmagnetometer zu verbessern. Die Hyperpolarisierung von Stoffen, wie Naphthalenkristall, verspricht eine präzisere Krebszellenerkennung zu ermöglichen. Atominterferometrie wird verwendet um kleinste Veränderungen im Gravitationsfeld zu messen. Wir nehmen die Erzeugung gequetschter Quantenzustände unter die Lupe, um die Sensitivität von atombasierten Interferometern zu verbessern. Schließlich erschaffen wir durch Optimierung mit 20 Rydbergatomen einen rekordbrechenden, verschränkten Schrödinger-Katzen-Zustand. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse wie die optimale Quantenkontrolle auf verschiedenen Plattformen basierende Quantentechnologien verbindet und verbessert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rembold, Phila phila.rembold@gmail.com orcid.org/0000-0003-1405-730X UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-615632
Date:	February 2022
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language quantum optimal control UNSPECIFIED quantum sensing UNSPECIFIED NV center UNSPECIFIED hyperpolarization UNSPECIFIED GHZ state UNSPECIFIED MCTDH UNSPECIFIED DNP UNSPECIFIED
Date of oral exam:	29 April 2022
Referee:	Name Academic Title Calarco, Tommaso Prof. Dr. Montangero, Simone Prof. Dr. Koch, Christiane Prof. Dr. Fabbri, Nicole Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/61563