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Reinforcement Learning in Different Phases of Quantum Control

强化学习 量子 计算机科学 量子位元 忠诚 量子计算机 最优控制 物理系统 量子态 高保真 统计物理学 物理 量子力学 数学 人工智能 数学优化 电信 声学
作者
Marin Bukov,Alexandre G. R. Day,Dries Sels,Phillip Weinberg,Anatoli Polkovnikov,Pankaj Mehta
出处
期刊:Physical Review X [American Physical Society]
卷期号:8 (3) 被引量:338
标识
DOI:10.1103/physrevx.8.031086
摘要

The ability to prepare a physical system in a desired quantum state is central to many areas of physics such as nuclear magnetic resonance, cold atoms, and quantum computing. Yet, preparing states quickly and with high fidelity remains a formidable challenge. In this work we implement cutting-edge Reinforcement Learning (RL) techniques and show that their performance is comparable to optimal control methods in the task of finding short, high-fidelity driving protocol from an initial to a target state in non-integrable many-body quantum systems of interacting qubits. RL methods learn about the underlying physical system solely through a single scalar reward (the fidelity of the resulting state) calculated from numerical simulations of the physical system. We further show that quantum state manipulation, viewed as an optimization problem, exhibits a spin-glass-like phase transition in the space of protocols as a function of the protocol duration. Our RL-aided approach helps identify variational protocols with nearly optimal fidelity, even in the glassy phase, where optimal state manipulation is exponentially hard. This study highlights the potential usefulness of RL for applications in out-of-equilibrium quantum physics.

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