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Finite elements and moving asymptotes accelerate quantum optimal control—FEMMA

He, Mengjia 1; Deng, Yongbo 1; Luy, Burkhard ORCID iD icon 2,3; Korvink, Jan G. 1
1 Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Biologische Grenzflächen (IBG), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Institut für Organische Chemie (IOC), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

Quantum optimal control is central to designing spin manipulation pulses. Gradient-based pulse optimization can be facilitated by either accelerating gradient evaluation or enhancing the convergence rate. In this work, we accelerated single-spin optimal control by combining the finite element method with the method of moving asymptotes. By treating discretized time as spatial coordinates, the Liouville–von Neumann equation was reformulated as a linear system, efficiently yielding a joint solution of the spin trajectory and control gradient. The method of moving asymptotes, relying on the ensemble fidelities and gradients, achieves rapid convergence for a target fidelity of 0.995.


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000190627
Veröffentlicht am 17.02.2026
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Biologische Grenzflächen (IBG)
Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT)
Institut für Organische Chemie (IOC)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsdatum 14.02.2026
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 0021-9606, 1089-7690
KITopen-ID: 1000190627
Erschienen in The Journal of Chemical Physics
Verlag American Institute of Physics (AIP)
Band 164
Heft 6
Seiten Article no: 064114
Vorab online veröffentlicht am 11.02.2026
Schlagwörter MATLAB, Optimization algorithms, Control theory, Differential geometry, Finite-element analysis, Matrix methods, Newton Raphson method, Optimization problems, Nuclear magnetic resonance spectroscopy, Liouville-von Neumann equation
Nachgewiesen in OpenAlex
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