量子控制中的量子信息獲取研究.pdf

1、量子理論自二十世紀初誕生以來，就開始深刻的影響和改變著人類社會：它為人們了解和改造微觀世界提供了理論基礎，并推動了激光、半導體、核能等高科技的發(fā)展。量子理論在快速發(fā)展的同時，不斷與其他學科交叉融合，量子信息學就是量子理論與信息科學相結(jié)合產(chǎn)生的一門新興學科，它的迅速發(fā)展必將帶來科學界的又一次革命。
　　 量子信息學以量子態(tài)作為信息單元，要處理量子信息就需要對量子態(tài)進行操控，因此以研究量子系統(tǒng)主動控制為主要內(nèi)容的量子控制理論誕生了。

2、隨著理論的不斷的完善，近些年來量子控制已經(jīng)成為國際上的研究熱點，并取得了很多喜人的成果。閉環(huán)控制一直是經(jīng)典控制中的核心內(nèi)容，量子控制在不斷的發(fā)展過程中也開始從最初的開環(huán)控制向閉環(huán)控制逐步邁進，閉環(huán)控制又被稱為反饋控制，系統(tǒng)信息的獲取是反饋控制中的關鍵環(huán)節(jié)，是了解系統(tǒng)狀態(tài)和做出控制決策的依據(jù)。量子系統(tǒng)遵循的量子力學規(guī)律與經(jīng)典力學有著本質(zhì)上的差別，經(jīng)典的信息獲取方法已經(jīng)不再適用于量子系統(tǒng)，需要我們探索新的技術(shù)和方法來完成量子反饋控制中的信息

3、獲取任務。
　　 本文首先綜述了量子控制的主要研究內(nèi)容和量子反饋控制的最新研究進展，結(jié)合量子反饋控制的特點，分析了利用量子層析對量子態(tài)進行測量的可行性，并進一步提出了基于量子過程層析的量子控制系統(tǒng)辨識方案，設計了基于量子層析的量子反饋控制系統(tǒng)。文章的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 (1)提出了基于量子層析的量子態(tài)測量方案。
　　 量子態(tài)作為量子信息的承載單元，是量子控制研究的主要對象。由于量子態(tài)遵循的是量子力學

4、規(guī)律，量子不可克隆定理和不確定性關系使得對量子態(tài)的測量會產(chǎn)生“量子塌縮”現(xiàn)象，這給量子信息獲取帶來了極大的困難，我們試圖利用量子層析技術(shù)來解決這一難題。量子層析一詞來源于醫(yī)學中的計算機輔助X射線斷層攝影術(shù)CT，從名字中可以看出，它屬于一種統(tǒng)計測量方法。根據(jù)量子力學的知識我們知道一個量子系統(tǒng)的密度矩陣包含了該系統(tǒng)的所有可知信息，如果可以得到系統(tǒng)的密度矩陣就可以說我們已經(jīng)掌握了這個系統(tǒng)的狀態(tài)信息。量子層析恰好可以通過測量未知量子態(tài)的大量全同

5、樣本的一組完備可觀測量的平均值來重構(gòu)量子態(tài)的密度矩陣，從而獲取量子態(tài)信息。我們以偏振光子態(tài)為研究對象，設計了利用量子層析重構(gòu)量子態(tài)密度矩陣的實驗方案，并通過計算機仿真技術(shù)對實驗的可行性進行了驗證。結(jié)果表明，量子層析作為獲取量子態(tài)信息的手段是有效和可行的。
　　 (2)設計了基于量子過程層析的量子控制系統(tǒng)辨識方案
　　 想要更好的設計量子控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更為精確的主動控制，設計者需要了解控制系統(tǒng)的性能和參數(shù)。為解決這一問題，

6、我們提出了基于量子過程層析的量子控制系統(tǒng)辨識。量子過程層析是一項基于量子層析的主要應用，在量子通訊領域中廣泛應用于測定量子信道參數(shù)，主要過程如下：首先選擇一組完備的輸入量子態(tài)ρin，讓其通過量子信道，然后利用量子層析測定輸出量子態(tài)ρoul，并根據(jù)輸入與輸出之間的關系確定量子信道的參數(shù)。借鑒這一思路，我們以電子自旋的控制磁場為對象，設計了控制系統(tǒng)辨識方案，同樣利用計算機仿真技術(shù)對方案進行了模擬，結(jié)果證明，該方案能夠有效的對量子控制系統(tǒng)進行

7、參數(shù)辨識。
　　 (3)提出了基于量子層析的量子反饋控制策略
　　 隨著量子反饋控制研究逐步成為熱點，近年來已經(jīng)取得了一些成果。但已有的反饋控制策略存在著一些缺陷，如馬爾可夫量子反饋、貝葉斯量子反饋和含時延非馬爾可夫量子反饋，用來反饋的信號都是經(jīng)典信息，不能視為純粹的量子反饋控制；而量子相干控制、基于克隆的反饋控制和基于量子隱形傳態(tài)的反饋控制，雖然是以量子信息作為反饋信號，且在一定程度上可以保持量子系統(tǒng)的相干性，但這些系