(q(t),p(t)) (q(t),p(t)) q = E[q], p = E[p], v 1 = E[(q q) 2 ], v 2 = E[(q q)(p p)], v 3 = E[(p p) 2 ]. ( t ). v 2 (t) q(t) p(t) E ξ(t), q(t), p(t) ()

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1 Department of Applied Physics and Physico-Informatics, Keio University, Hiyoshi, Kohoku, Yokohama, Kanagawa, Japan yamamoto@appi.keio.ac.jp (continuous-time Kalman filter), (quantum systems). JL 0009/17/ C 2017 SICE 1. ( ) (a) 1 M, ω γ>0 1 (a) (b) Ξ(t) Q(t) M d2 Q(t) 2 + Mγ dq(t) + Mω 2 Q(t) =Ξ(t) P = MdQ/ a>0 Q = aq, P = amωp (q, p) [ ] [ ][ ] [ ] d q 0 ω q 0 = + ξ (1) p ω γ p 1 1 ω γ ξ(t) =Ξ(t)/aMω 1 E[ξ(t)] = 0, E[ξ(t)ξ(s)] = nδ(t s) (2) ξ(t) E (Expectation). n ( ). δ(t s) t s t = s (2) ξ(t) 2 (?) () (q(t),p(t))

2 (q(t),p(t)) (q(t),p(t)) q = E[q], p = E[p], v 1 = E[(q q) 2 ], v 2 = E[(q q)(p p)], v 3 = E[(p p) 2 ]. ( t ). v 2 (t) q(t) p(t) E ξ(t), q(t), p(t) () (2) d q = ω p, d p = ω q γ p, d v 1 =2ω v d v 2 2, = ω( v 3 v 1 ) γ v 2, d v 3 = 2ω v 2 2γ v 3 + n (3) 1 q( ) = p( ) =0, v 1 ( ) = v 3 ( ) = n 2γ, v 2 ( ) =0. (q(t),p(t)) n/2γ 2 γ γ 0 v 1 ( ), v 3 ( ) (). 2.2 CCD ( 1(a) ) 3 2 v 1 + v 3 n γ 3 y(t) = λq(t)+ζ(t) (4) y(t) ζ(t) ξ(t) 1 ( E[ζ(t)] = 0, E[ζ(t)ζ(s)] = δ(t s) ). λ q(t) ζ(t) ( S/N ) y(t) (q(t),p(t)) y(t) t (q(t),p(t)) (ˆq(t), ˆp(t)) y(t) S/N q(t) ˆq(t) =y(t)/ λ ˆp(t) (1) (q(t),p(t)) ξ(t) (ˆq(t), ˆp(t)) dˆp(t)/ = ωˆq(t) γ ˆp(t) dˆp(t) = γ ˆp(t) ω λ y(t) (5) y(t) (ˆq(t), ˆp(t)) (q(t),p(t)) v 1 (t) =E[(q(t) ˆq(t)) 2 ], v 3 (t) =E[(p(t) ˆp(t)) 2 ]. E ξ, ζ, q, p (ˆq(t), ˆp(t)) ((5) y(t) ) dˆq = λv 1ˆq + ωˆp + λv 1 y, dˆp = (ω + λv 2)ˆq γ ˆp + λv 2 y, dv 1 =2ωv 2 λv 2 1,

3 dv2 = ω(v3 v1 ) γv2 λv1 v2, dv3 = 2ωv2 2γv3 + n λv22 (6) これがカルマンフィルタである ノイジーなデータ y か ら 有用な情報である (q, p ) を 濾過 する働きをもつ なお v2 = E[(q q )(p p )] は (q, p ) 間の相関を表 わす (6) 式のうち 推定誤差 (v1, v2, v3 ) に関する式はリ カッチ方程式と呼ばれており 非線形方程式ではあるが 多くの性質が判明している まず重要なことに リカッチ 方程式はデータ y(t) に依存しない データと関係なく これくらいの精度で推定できますよ と理論予測できる 訳である また いま推定誤差が収束する条件ははっき りしており これは γ = 0 というケースも含んでいる このとき前述のとおり 振動子はノイズでつっつかれて どこか遠くに吹っ飛んでしまうこともあるのだが カル マンフィルタはそれをキチンと追いかけてくれるのであ る なお (v1, v3 ) の式を見ると これは平均ダイナミクス (3) の (v 1, v 3 ) に関する式の右辺から λv12, λv22 という非 負量を引いたものであることがわかる つまり (v1, v3 ) の増加率は (v 1, v 3 ) のそれと比べて小さいので 結果 v1 v 1, v3 v 3 となる これは データ y(t) を用い ている分 振動子に関する不確かさが減少したことを意 味する なお この不確かさの減少度合いを表わすパラ メータ (S/N 比) を λ = 0 とする つまりデータが全く 得られないとすると カルマンフィルタ (6) は平均ダイ ナミクス (3) と一致する これは自然である 2.3 数値例 カルマンフィルタがどれほど上手くシステムの変数を 追跡できるのか 数値例で確認しておこう 注4 パラメー タは ω = 1, λ = 1, γ = 0.01, n = 1 とする 図 2 は 振 動子の変数 (q, p), 平均値 (q, p ), 推定値 (q, p ) の時間変 化を示したものである 初期値はいずれの場合も (2, 0) で また初期分散値は (v 1, v 2, v 3 ), (v1, v2, v3 ) のどちら も (0.1, 0, 0.1) とする (q, p ) と (q, p ) のまわりのシェー ドは 誤差の標準偏差 ( v 1, v 3 ) と ( v1, v3 ) を表 わし つまりたとえば q を太さ 2 v 1 の線としてプロッ トしている 図からわかるとおり 推定値 (q, p ) は真値 (q, p) を良く追跡できている 一方 平均値 (q, p ) は真 値の動きの傾向は捉えているものの 追跡とは言い難い また (q, p ) まわりのシェードの方が (q, p ) のそれより 小さいことがわかる 前述したとおり データを用いる事 で対象系に関する不確かさが減るのである とくに真値 (q, p) はほぼ (q, p ) まわりのシェードに入っており つ まり理論予測の誤差範囲内に真値がある ということも 確認できる なお データ y(t) は q(t) を陽に含んでい 注4 Matlab たい 664 で実装した 数値計算の仕方については文献 1) を参照され 図 2 振動子の変数 (q, p), 平均値 (q, p ), 推定値 (q, p ) の 時間変化 q(t) は確率揺らぎを直接的には受けていないので その動きは滑らかに見える るが p(t) を陽には含んでいない しかしそれでも p(t) が推定できているのは ひとえにカルマンフィルタがモ デルベースの動的推定機構であるからである すなわち p(t) は ダイナミクスのモデルを通して推定しているの である 最 後 に 重 要 な 点 を 注 意 し た い 第 一 に 平 均 値 (q (t), p (t)) はリアルタイムで得られる量ではなく 実 験をたくさん行って その後で (ヒストグラムを作る等 して) 算出するオフラインの予測値である 当然 これを 使ってフィードバック制御などはできない 他方 推定 値 (q (t), p (t)) は データ y(t) を用いてリアルタイムで 算出するオンラインの予測値である ゆえに いま こ の瞬間に振動子はどこにいて どのくらいの速さで動い ているか について検討がつけられるので したがって フィードバック制御ができるのである 3. 一般論らしきこと 連続時間カルマンフィルタの導出は 数学的に真面目 にやろうとすると難しい そこで ここでは直観的な方法 でそれを示そうと思う 連続時間系における数学的難所 を知ることにも意義があるだろう 難所の解決には確率 微分方程式が必要である たとえば1), 2) を参照されたい つぎのシステムを考えよう dx(t) = Ax(t) + Bu(t) + w(t), y(t) = Cx(t) + v(t) (7) x, y, w, v は確率変数を成分とするベクトルで A, B, C は行列である また 前章の例では導入していなかった が u は制御入力である フィードバック制御をしたけ れば u を y の関数として設計する w, v は前章同様 計測と制御 第 56 巻 第 9 号 2017 年 9 月号

4 E[w(t)w(s) ]=Nδ(t s), E[v(t)v(s) ]=Mδ(t s), E[w(t)v(s) ]=Lδ(t s) (8) N,M,L 5 L 0 w(t),v(t) y(t) x(t) ˆx(t) ˆx(t) 6 dˆx(t) = Aˆx(t)+ Bu(t)+ K(t)[y(t) C ˆx(t)] (9) u(t) (7)(9) (9) K(t) e(t) =x(t) ˆx(t) V (t) =E[e(t)e(t) ] de(t) =(A K(t)C)e(t)+w K(t)v 7 V (t) e(t) e(t +Δt) e(t)+ de(t) Δt Δt d[e(t)e(t) ] e(t +Δt)e(t +Δt) e(t)e(t) Δt = de ( de ) de( de ) Δt e + e + Δt 0 de/ ( 5 N, M 6 dˆx/ = F ˆx + Bu + Ky E[x(t)] = E[ˆx(t)] t 7 (7) w =0,v =0e 0 K A KC A KC K ((A, C) ) K K ) w, v (8) E[w(t)w(t) ]=N/Δt, E[w(t)v(t) ]=L/Δt E[v(t)v(t) ]=M/Δt, Δt 0 V (t) dv (t) ( d[e(t)e(t) ]) = E [ = E (A KC)ee +(w Kv)e + ee (A KC) + e(w Kv) ] +(w Kv)(w Kv) Δt =(A KC)V + V (A KC) + N KL LK + KMK dv = AV + VA + N (VC + L)M 1 (VC + L) +[K (VC + L)M 1 ]M[K (VC + L)M 1 ] K(t) M ( M 1 ) K(t) dv (t)/ K(t) =(V (t)c +L)M 1 V (t) V (t) K(t) ˆx(t) dˆx = Aˆx + Bu +(VC + L)M 1 (y C ˆx) dv = AV + VA + N (VC + L)M 1 (VC + L) (6) C =0,L=

5 d x d = A x + Bu, V = A V + VA + N (10) (3) u(t) y(t) ( ) (3) (3) ( ) () () 2004 ( 2 ) 5) () 4.2 3), 4) 1(b) 1 CCD ( )

6 [ ] [ ][ ] [ ] d q 0 ω q = + 0 p ω γ p λζ1 + 2γξ y = λq + ζ 2 q(t)p(t) p(t)q(t) =i (q, p) =(3, 1) λζ 1 S/N S/N ζ 2 (ζ 1,ζ 2 ) E(ζ 2 1 )E(ζ2 2 ) h2 /4 (E ) L 0ξ (2) n γ y(t) q(t) y(t) (q, p) (q, p) E[(q ˆq) 2 ] E[(p ˆp) 2 ] (ˆq, ˆp) (ˆq, ˆp) (6) 6) M = kg ω =8.03 MHz γ =1.66 khz, λ = 467 Hz, n = (). ( q, p) () Q = aq 43.7 Q P = amωp QP PQ = i h a = h/mω = m h = ( q, p) /5 150 n ( 7) ) (2002) , 937/943 (2011) 3 585, 21/27 (2012) 4 H.I. Nurdin and N. Yamamoto: Linear Dynamical Quantum Systems: Analysis, Synthesis, and Control, Springer (2017) 5 L. Bouten, R. van Handel, and M.R. James: A discrete invitation to quantum filtering and feedback control, SIAM Review, 51, 239/316 (2009) 6 W. Wieczorek, et al.: Optimal state estimation for cavity optomechanical systems, Phys. Rev. Lett., 114, (2015) 7 D.J. Wilson, et al.: Measurement-based control of a mechanical oscillator at its thermal decoherence rate, Nature, 524, 325 (2015) () ()

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