Optimizing Robust Quantum Gates in Open Quantum Systems

We are currently at the cusp of a revolution in quantum technology that relies not just on the passive use of quantum effects, but on their active control. At the forefront of this revolution is the implementation of a quantum computer. Encoding information in quantum states as “qubits” allows to use entanglement and quantum superposition to perform calculations that are infeasible on classical computers. The fundamental challenge in the realization of quantum computers is to avoid decoherence – the loss of quantum properties – due to unwanted interaction with the environment. This thesis addresses the problem of implementing entangling two-qubit quantum gates that are robust with respect to both decoherence and classical noise. It covers three aspects: the use of efficient numerical tools for the simulation and optimal control of open and closed quantum systems, the role of advanced optimization functionals in facilitating robustness, and the application of these techniques to two of the leading implementations of quantum computation, trapped atoms and superconducting circuits. After a review of the theoretical and numerical foundations, the central part of the thesis starts with the idea of using ensemble optimization to achieve robustness with respect to both classical fluctuations in the system parameters, and decoherence. For the example of a controlled phasegate implemented with trapped Rydberg atoms, this approach is demonstrated to yield a gate that is at least one order of magnitude more robust than the best known analytic scheme. Moreover this robustness is maintained even for gate durations significantly shorter than those obtained in the analytic scheme. Superconducting circuits are a particularly promising architecture for the implementation of a quantum computer. Their flexibility is demonstrated by performing optimizations for both diagonal and non-diagonal quantum gates. In order to achieve robustness with respect to decoherence, it is essential to implement quantum gates in the shortest possible amount of time. This may be facilitated by using an optimization functional that targets an arbitrary perfect entangler, based on a geometric theory of two-qubit gates. For the example of superconducting qubits, it is shown that this approach leads to significantly shorter gate durations, higher fidelities, and faster convergence than the optimization towards specific two-qubit gates. Performing optimization in Liouville space in order to properly take into account decoherence poses significant numerical challenges, as the dimension scales quadratically compared to Hilbert space. However, it can be shown that for a unitary target, the optimization only requires propagation of at most three states, instead of a full basis of Liouville space. Both for the example of trapped Rydberg atoms, and for superconducting qubits, the successful optimization of quantum gates is demonstrated, at a significantly reduced numerical cost than was previously thought possible. Together, the results of this thesis point towards a comprehensive framework for the optimization of robust quantum gates, paving the way for the future realization of quantum computers.

Efficient Characterisation and Optimal Control of Open Quantum Systems - Mathematical Foundations and Physical Applications

Since no physical system can ever be completely isolated from its environment, the study of open quantum systems is pivotal to reliably and accurately control complex quantum systems. In practice, reliability of the control field needs to be confirmed via certification of the target evolution while accuracy requires the derivation of high-fidelity control schemes in the presence of decoherence. In the first part of this thesis an algebraic framework is presented that allows to determine the minimal requirements on the unique characterisation of arbitrary unitary gates in open quantum systems, independent on the particular physical implementation of the employed quantum device. To this end, a set of theorems is devised that can be used to assess whether a given set of input states on a quantum channel is sufficient to judge whether a desired unitary gate is realised. This allows to determine the minimal input for such a task, which proves to be, quite remarkably, independent of system size. These results allow to elucidate the fundamental limits regarding certification and tomography of open quantum systems. The combination of these insights with state-of-the-art Monte Carlo process certification techniques permits a significant improvement of the scaling when certifying arbitrary unitary gates. This improvement is not only restricted to quantum information devices where the basic information carrier is the qubit but it also extends to systems where the fundamental informational entities can be of arbitary dimensionality, the so-called qudits. The second part of this thesis concerns the impact of these findings from the point of view of Optimal Control Theory (OCT). OCT for quantum systems utilises concepts from engineering such as feedback and optimisation to engineer constructive and destructive interferences in order to steer a physical process in a desired direction. It turns out that the aforementioned mathematical findings allow to deduce novel optimisation functionals that significantly reduce not only the required memory for numerical control algorithms but also the total CPU time required to obtain a certain fidelity for the optimised process. The thesis concludes by discussing two problems of fundamental interest in quantum information processing from the point of view of optimal control - the preparation of pure states and the implementation of unitary gates in open quantum systems. For both cases specific physical examples are considered: for the former the vibrational cooling of molecules via optical pumping and for the latter a superconducting phase qudit implementation. In particular, it is illustrated how features of the environment can be exploited to reach the desired targets.

Exploiting non-Markovianity for quantum control

Quantum technology, exploiting entanglement and the wave nature of matter, relies on the ability to accurately control quantum systems. Quantum control is often compromised by the interaction of the system with its environment since this causes loss of amplitude and phase. However, when the dynamics of the open quantum system is non-Markovian, amplitude and phase flow not only from the system into the environment but also back. Interaction with the environment is then not necessarily detrimental. We show that the back-flow of amplitude and phase can be exploited to carry out quantum control tasks that could not be realized if the system was isolated. The control is facilitated by a few strongly coupled, sufficiently isolated environmental modes. Our paradigmatic example considers a weakly anharmonic ladder with resonant amplitude control only, restricting realizable operations to SO(N). The coupling to the environment, when harnessed with optimization techniques, allows for full SU(N) controllability.

Hybrid optimization schemes for quantum control

Optimal control theory is a powerful tool for solving control problems in quantum mechanics, ranging from the control of chemical reactions to the implementation of gates in a quantum computer. Gradient-based optimization methods are able to find high fidelity controls, but require considerable numerical effort and often yield highly complex solutions. We propose here to employ a two-stage optimization scheme to significantly speed up convergence and achieve simpler controls. The control is initially parametrized using only a few free parameters, such that optimization in this pruned search space can be performed with a simplex method. The result, considered now simply as an arbitrary function on a time grid, is the starting point for further optimization with a gradient-based method that can quickly converge to high fidelities. We illustrate the success of this hybrid technique by optimizing a geometric phase gate for two superconducting transmon qubits coupled with a shared transmission line resonator, showing that a combination of Nelder-Mead simplex and Krotov’s method yields considerably better results than either one of the two methods alone.

A Computational Model for Observation in Quantum Mechanics

A computational model of observation in quantum mechanics is presented. The model provides a clean and simple computational paradigm which can be used to illustrate and possibly explain some of the unintuitive and unexpected behavior of some quantum mechanical systems. As examples, the model is used to simulate three seminal quantum mechanical experiments. The results obtained agree with the predictions of quantum mechanics (and physical measurements), yet the model is perfectly deterministic and maintains a notion of locality.

Room-temperature continuous-wave operation of GaInNAs/GaAs quantum dot laser with GaAsN barrier grown by solid source molecular beam epitaxy

We present the results of GaInNAs/GaAs quantum dot structures with GaAsN barrier layers grown by solid source molecular beam epitaxy. Extension of the emission wavelength of GaInNAs quantum dots by ~170nm was observed in samples with GaAsN barriers in place of GaAs. However, optimization of the GaAsN barrier layer thickness is necessary to avoid degradation in luminescence intensity and structural property of the GaInNAs dots. Lasers with GaInNAs quantum dots as active layer were fabricated and room-temperature continuous-wave lasing was observed for the first time. Lasing occurs via the ground state at ~1.2μm, with threshold current density of 2.1kA/cm[superscript 2] and maximum output power of 16mW. These results are significantly better than previously reported values for this quantum-dot system.

Concordancia en la interpretación de los gases arteriales entre residentes de medicina de emergencias y el intensivista

Se desconoce en la actualidad en Colombia la calidad de la interpretación de los gases arteriales por parte de los residentes de medicina de emergencias. Los gases arteriales es una de las ayudas diagnósticas de más rápida consecución en el servicio de urgencias y más utilizadas por ser indispensable en la valoración de patologías de alta prevalencia como son las enfermedades respiratorias y la sepsis. Su mala interpretación puede llevar a mal direccionamiento del manejo de pacientes en estado crítico por lo que es indefectible que los residentes logren un buen entrenamiento en la interpretación de los mismos. Por esta razón se realiza este estudio analítico de concordancia con recolección prospectiva, de corte transversal que busca determinar el grado de concordancia en la interpretación de gases arteriales de los residentes del programa de Medicina de Emergencias de la Universidad del Rosario y especialista en cuidado crítico, así como la interpretación entre ellos según su nivel de entrenamiento y describir cuáles son los hallazgos que encuentran en la interpretación de los mismos. Se recolectaron 60 gases arteriales realizados a paciente hospitalizados en la unidad de cuidados intensivos de la Fundación Santa Fe de Bogotá y se halló la concordancia entre la lectura de los residentes del programa de Medicina de Emergencias y un intensivista. Encontrando una concordancia moderada (r 0.445 y 0.442, ) en las respuestas identificadas en los residentes de segundo y tercer año de residencia(p:0,000y0,01).(MESH: Blood Gas Análisis, Emergency Medical Services, Education, Medical, Graduate)

Java Applets for teaching quantum mechanics: Particle in a box

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Java Applets for teaching quantum mechanics: Particle in a 2D box

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Java Applets for teaching quantum mechanics: Particle in a well

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QLM Quantum Light and Matter Logo

The new Physics dept Quantum Light and Matter group logo designed by Alexey Kavokin in vector format. Re-traced original bitmap logo for high quality printing. Created in inkscape and exported to PDF, EPS and high resolution PNG

Caracterización por cromatografía de gases-espectrometría de masas del thinner comercialmente disponible en la ciudad de Cartagena

El thinner es uno de los productos de mayor utilización en la industria de las pinturas, lubricantes y pegamentos. Su composición es variable de acuerdo con su uso y calidad. Sin embargo, la exposición crónica es una preocupación debido a que puede afectar órganos principales tales como pulmones, hígado, riñón y glándulas suprarrenales. En este estudio fue caracterizada la composición de varias muestras de thinner, disponibles comercialmente en la ciudad de Cartagena, que fueron recolectadas en diferentes almacenes y analizadas por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC/MS). Los resultados mostraron que no solo la composición, sino también la distribución relativa de los componentes presentes en las muestras son variables. Treinta y dos compuestos fueron detectados, entre los que se encuentran: tolueno, o-xileno, pxileno y etilbenceno, con frecuencias de aparición de 91,7, 66,7, 75,0 y 66,7 %, respectivamente. El desconocimiento del riesgo de intoxicación, generado al manipular este tipo de mezclas, puede ser la causa de muchos de los problemas de salud en personas expuestas al thinner, tanto en actividades laborales como domésticas. Una minería de datos mostró la asociación potencial entre los componentes del thinner y manifestaciones clínicas, las cuales incluyen daño renal y hepático, pérdida de cabello, alteraciones hematológicas, dermatitis, ansiedad y problemas de equilibrio, entre otras. En conclusión, el thinner posee gran variabilidad tanto en sus componentes como en la proporción relativa de los mismos. Los efectos perjudiciales en la salud por exposición directa o indirecta a estos componentes han sido ampliamente descritos en la literatura

Caracterización de la exposición ocupacional a los gases, dióxido de azufre (so2), sulfuro de hidrógeno (h2s), y monóxido de carbono (co), y la percepción de salud de los trabajadores, en una empresa del sector hidrocarburo en Colombia

En el proceso de extracción de petróleo (crudo) deben realizarse tratamientos físicos y químicos en estaciones de recolección del hidrocarburo con el fin de garantizar su calidad antes de su entrega para el transporte y comercialización. Para la realización de esta actividad el personal operativo requerido (operadores) debe realizar diferentes actividades, tales como ronda operacional, verificación de sistemas de almacenamiento del crudo, agua residual del proceso e insumos químicos utilizados en su tratamiento y manipulación de facilidades en las estaciones de recolección, entre otras. Como resultados de las actividades rutinarias los operadores están expuestos a factores de riesgo químico asociados a gases y vapores orgánicos generados en los procesos de tratamiento del crudo. En el presente trabajo se realizaron mediciones de calidad de aire e higiene industrial en diferentes estaciones tratamiento de crudo, con el propósito de evaluar los niveles de exposición de los operadores a gases y vapores de hidrocarburos durante el proceso de tratamiento de crudo y dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿existe relación entre la exposición ocupacional, las emisiones atmosféricas de gases (SO2, CO, H2S) y la percepción de afectación de la salud de los trabajadores que se encuentran expuestos durante la actividad laboral, en una empresa del sector de hidrocarburos? Se realizó un estudio de corte transversal, mediante la aplicación de cuestionarios sobre las condiciones de trabajo y de salud a 30 trabajadores que laboran en una estación de tratamiento de crudo de una compañía del sector de hidrocarburos. Los operadores objeto de estudio laboran en turnos rotativos, han estado vinculados con la compañía por más de dos años y tienen contrato directo, adicionalmente, se identificaron los factores de riesgos ambientales y ocupacionales para el grupo de trabajadores y se realizó una revisión de los informes de medición de higiene industrial y de calidad de aire de las estaciones donde labora el personal seleccionado con el fin de establecer si los resultados se relacionan. Los resultados obtenidos indican que el 100% de los trabajadores son de género masculino y se desempeñan en cargos de operadores, recorredores de pozos de crudo y supervisores. El 97% de los operadores tiene más de cuarenta años de edad y el 80% de los mismos ha laborado por más de 6 años en la compañía. Acerca de la percepción de los trabajadores sobre su estado de salud el 90% afirma que su salud es buena, el 97% respondió que no presenta problemas respiratorios, el 23% manifiesta que presenta trastornos dermatológicos y el 27% indican que presenta dolor de cabeza constante. De la revisión de los informes de calidad de aire disponibles se encontró que las mediciones de Dióxido de Azufre SO2, Monóxido de Carbono CO se encuentran dentro del rango definido como el de menor impacto para la salud humana. De los datos del informe se puede concluir que la calidad del aire es buena en el 100% de las áreas de influencia de las estaciones de tratamiento de crudo. Según los informes de higiene industrial el 34% de las instalaciones presenta concentraciones de Sulfuro de Hidrógeno (H2S) en el límite permisible para exposiciones crónicas en un promedio ponderado de tiempo (TLV-TWA) y el límite permisible para exposiciones agudas en un límite de exposición a corto plazo (TLV-STEL). Solo el 37% de los trabajadores objeto de este estudio percibe el riesgo por la exposición a factores de riesgo químicos y son claramente consientes que se encuentran expuestos a estos riesgos por la manipulación de productos químicos y exposición a sustancias químicas producto de sus actividades rutinarias, el 73% no percibe el riesgo de exposición por su actividad laboral. Se recomienda que la compañía fortalezca su esquema de vigilancia para generar alternativas que eleven los niveles de consciencia del riesgo del trabajador. Los factores de riesgo ambiental y ocupacional, de los gases y vapores generados se deben al proceso de tratamiento de crudo, están mutuamente relacionados dado que al generarse una emisión y/o escape no controlado como consecuencia se tiene una afectación directa al medio ambiente y a los trabajadores.

Cromatografia dels gasos. 'Cromatografía de los gases'.

Se empieza con un repaso histórico breve de las técnicas de análisis químico, como la destilación. A continuación se explica el descubrimiento de la cromatografía y los tipos y la gran precisión del procedimiento, capaz de detectar concentraciones de millonésimas de gramo. Finalmente destaca las aplicaciones prácticas de la cromatografía de gases para la industria alimentaria y farmacéutica y para el estudio medioambiental.

El gas natural i els gasos del petroli : el món del petroli III. 'El gas natural y los gases del petroleo : el mundo del petroleo III'.

En el vídeo se explica com en muchos de los yacimientos hay cantidades importantes de gas de materia aislada, es el llamado gas natural. Este se compone básicamente de metano, junto con otras pequeñas cantidades de etano, propano y butano.