Seminars and Colloquia

The ultimate limits of quantum control:   Super‐adiabatic and super‐fast driving of two‐level quantum systems

by Dr Donatella Ciampini (Dipartimento di Fisica, Università di Pisa)

Europe/Rome
131 (INFN edificio C)

131

INFN edificio C

Description
The ability to accurately control a quantum system is a fundamental requirement in many areas of modern  science  such  as  quantum  information  processing,  coherent  manipulation  of  molecular systems and high precision measurements. The concept of adiabaticity refers to the possibility of guiding  a  quantum  mechanical  system  from  an  initial  to  some  desired  final  state  by  changing  a control  parameter  in  such  a  way  that  the  system  never  leaves  its  instantaneous  ground  state. Typically,  a  high  degree  of  adiabaticity  requires  that  parameter  change  to  be  very  slow.  In  the simplest Landau‐Zener model of  a two‐level quantum system, a perfect adiabatic following of the ground state requires an infinitely slow variation of the control parameter. On the other hand, in quantum control it is often desirable to minimize the time required to reach the final state since decoherence, caused by coupling to the environment, tends to destroy the quantum mechanical superpositions.
In my talk I will present experimental results on the preparation of a desired quantum state with 100%  fidelity  using  specially  designed  driving  protocols.  In  particular,  by  modelling  a  two‐level quantum  system  using  a  Bose‐Einstein  condensate  inside  an  optical  lattice  we  realize  protocols that approach the quantum speed limit set by the Heisenberg uncertainty principle, as well as the recently proposed superadiabatic (or transitionless)  driving in which the system perfectly tracks an  instantaneous  adiabatic  eigenstate.  These  superadiabatic  high‐fidelity driving  protocols  are robust  against  variations  in  the  system’s  parameters,  which  makes  them attractive  for  real‐life applications in which perfect control is required under imperfect conditions, such as in quantum information, nuclear magnetic resonance imaging or the coherent control of chemical reactions.