量子控制概要

量子控制量子控制是量子力学理论与控制论交叉形成的新兴学科，所研究的问题主要是从控制论的观点探讨量子系统的演化及其调制。而对量子现象控制论应该怎样处理，特别是反馈需要怎样发展，面对量子现象的特殊性，这些都需要重新考察及思索。在这方面我们正进行深入探讨，并且已获得了一些重要进展。I．量子系统量子控制的必要性。针对量子系统，是否有必要研究专门针对量子特性的控制理论是量子控制理论发展首先面临的问题。量子闭环控制中需要测量，测量必然引入与经典控制情形不同的新的干扰；而反馈又可对付一定的不确定性及干扰，这样量子闭环控制中就存在测量获得信息与引入不确定性之间的博弈。为此我们对一类简单的量子通讯系统，在相位变化的干扰下，比较在相干控制模式下量子开环控制（未引入测量）与量子闭环控制（引入测量）控制能力的差别。A．当要传递的信息是两个不同的已知状态的某一个时，从理论上证明了量子纠错方案要好于任何经典方案；B．当被传递的态为任何未知纯态时,证明了量子方案劣于不做任何操作，该结论与量子态的不可克隆是吻合的，同时与结论A结合表明先验信息对系统控制设计（纠错）的重要性。C．阐明了一个重要的论点：对量子系统必须考虑量子意义下的控制策略。II．量子系统非Markov情形的消相干控制控制开放量子系统保持其量子特性、并且改善开放量子系统的性能或达到开放量子系统的目的（如量子计算机的构造）具有十分重要的意义。而消相干是量子信息、量子计算等需要解决的关键技术性问题。它是由于系统受到环境的影响而产生的，是量子信息与计算的瓶颈，是制约量子计算机发展的关键。目前在实验技术领域消相干已经取得了一定的进展，如在超导量子比特方案中，人们已经可以将消相干时间延长到10-6秒量级，这一消相干时间已经可以保证简单量子算法的运行。但是消相干问题还远没有解决。Markov近似是处理开放量子系统的一种简单近似，引入Markov近似给解决问题带来了很多方便。然而，许多实际量子系统通常不能满足Markov近似条件，而且量子计算（机）的特点本身就是快速性，因此有必要考虑非Markov近似，从而系统可以得到非Markov型主方程描述。我们对一类开放耗散非马尔科夫量子主方程，研究了温度变化的情况下最优跟踪控制律对消相干的影响。结果表明具有受控耦合的某些工程系统能极大的减缓消相干速率及延迟消相干时间。III．量子纠缠动力学量子系统的重要特性之一就是量子纠缠，对于多体量子开放系统，量子纠缠的保持在量子通信以及量子信息处理领域均具有重要应用。为保持系统的量子特性，实际上主要是保持系统在环境的影响下纠缠特性，也就是在消相干作用下纠缠的保持。为从含有噪声的环境中，得到具有高纯度的量子纠缠态，传统的方法是提纯。提纯对于在连续噪声作用下的开放系统，保持量子态的纠缠性质不再适用。为此我们分析了量子系统的纠缠动力学，得到纠缠突死的一些特性，特别是纠缠突死与环境温度的关系，得到如下结论：A.当温度为0时，纠缠的发生与初态有关，我们找到了纠缠突死与初态的依赖关系；B.当温度不为0时，纠缠突死必定发生，这时我们给出了死亡时间与系统的固有参数间的关系，这些为纠缠控制的设计起了基础作用。