Quantum systems and control

This paper describes several methods used by physicists for manipulations of quantum states. For each method, we explain the model, the various time-scales, the performed approximations and we propose an interpretation in terms of control theory. These various interpretations underlie open questions on controllability, feedback and estimations. For 2-level systems we consider: the Rabi oscillations in connection with averaging; the Bloch-Siegert corrections associated to the second order terms; controllability versus parametric robustness of open-loop control and an interesting controllability problem in infinite dimension with continuous spectra. For 3-level systems we consider: Raman pulses and the second order terms. For spin/spring systems we consider: composite systems made of 2-level sub-systems coupled to quantized harmonic oscillators; multi-frequency averaging in infinite dimension; controllability of 1D partial differential equation of Shrödinger type and affine versus the control; motion planning for quantum gates. For open quantum systems subject to decoherence with continuous measures we consider: quantum trajectories and jump processes for a 2-level system; Lindblad-Kossakovsky equation and their controllability. RÉSUMÉ. Ce papier décrit plusieurs méthodes utilisées par les physiciens pour la manipulation d’états quantiques. Pour chaque méthode, nous expliquons la modélisation, les diverses échelles de temps, les approximations faites et nous proposons une interprétation en termes de contrôle. Ces diverses interprétations servent de base à la formulation de questions ouvertes sur la commandabilité et aussi sur le feedback et l’estimation, renouvelant un peu certaines questions de base en théorie des systèmes non-linéaires. Pour les systèmes à deux niveaux, dits aussi de spin 2 , il s’agit: des oscillations de Rabi et d’une approximation au premier ordre de la théorie des perturbations (transition à un photon); des corrections de Bloch-Siegert et d’approximation au second ordre; de commandabilité et de robustesse paramétrique pour des contrôles en boucle ouverte, robustesse liée à des questions largement ouvertes sur la commandabilité en dimension infinie où le spectre est continu. Pour les systèmes à trois niveaux, il s’agit: de pulses Raman; d’approximations au second ordre. Pour les systèmes spin/ressort, il s’agit: des systèmes composés de sous-systèmes à deux niveaux couplés à des oscillateurs harmoniques quantifiés; de théorie des perturbations à plusieurs fréquences en dimension infinie; de commandabilité d’équations aux dérivées partielles de type Schrödinger sur R et affine en contrôle; de planification de trajectoires pour la synthèse portes logiques quantiques. Pour les systèmes ouverts soumis à la décohérence avec des mesures en continu, il s’agit: de trajectoires quantiques de Monte-Carlo et de processus à sauts sur un systèmes à deux niveaux; des équations de Lindblad-Kossakovsky avec leur commandabilité.