Optimal and robust quantum control in low dimensional systems

La théorie du contrôle optimal (OCT) est une méthode pour obtenir les solutions optimales de systèmes quantiques contrôlés par des champs externes, fournissant un ensemble puissant d'outils et de concepts. L'un des objectifs de la thèse est d'adapter la technique OCT dans des systèmes quantiques à deux et trois états en tenant compte des pertes et de la robustesse, ce qui est primordial pour la mise en œuvre de techniques de contrôle dans une large classe de plateformes.Sur la base de techniques d'ingénierie inverse et du principe du maximum de Pontryagin (PMP), nous établissons et testons les différentes stratégies optimales montrant comment contrôler le transfert dans des systèmes quantiques à trois niveaux en considérant des solutions optimales en énergie et en temps minimum en tenant compte des pertes. Ces résultats montrent en particulier que le passage adiabatique habituel dans de tels systèmes, connu sous le nom de passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), qui conduit à un transfert imparfait, peut être rendu exact, réalisant ainsi le passage exact de Raman stimulé (STIREP) tout en réduisant l'énergie et la durée des contrôles.Un des objectifs consiste à développer une nouvelle technique qui permet de combiner robustesse et optimisation. Plutôt que d'utiliser une procédure d'optimisation directe comme la technique OCT, nous développons une technique d'optimisation géométrique qui permet de dériver des solutions optimales et robustes à partir d'une optimisation inverse. La méthode appelée optimisation inverse robuste (RIO) permet d'obtenir des trajectoires numériques qui peuvent être rendues aussi précises que nécessaire. La méthode est polyvalente et peut être appliquée à divers types d'erreurs et de problèmes de contrôle quantique.Optimal control theory (OCT) is the basic and comprehensive method to obtain the optimal solutions of quantum systems controlled by external fields. It provides a powerful set of tools and concepts. One of the goals of the thesis is to design the technique of OCT in two- and three-state quantum systems taking into account losses and robustness, which is of primary importance for the implementation of control techniques in a broad class of platforms.Based on inverse-engineering techniques and the Pontryagin maximum principle (PMP), we establish and test the different optimal strategies showing how to control the transfer in three-level quantum systems considering energy- and time-minimum optimal solutions taking into account losses. These results, in particular, show that the usual adiabatic passage in such systems, known as stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP), which leads to imperfect transfer, can be made exact thus achieving stimulated Raman exact passage (STIREP) while reducing the energy and the duration costs respectively of the controls.We next combine robustness with optimization. Instead of using a direct optimization procedure from OCT, we develop a technique of geometric optimization that allows the derivation of optimal and robust solutions from an inverse optimization. The method named robust inverse optimization (RIO) allows one to obtain numerical trajectories that can be made as accurate as required. The method is versatile and can be applied to various types of errors and of quantum control problems