量子控制发展综述.pdf

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1、量子控制发展综述田昊（北京林业大学工学院北京100083）摘要：量子理论作为是20世纪重要的理论，让人们开始得以探索微观世界的基本规律。现代科学技术的不断发展和革新使的量子计算和量子通信得到快速发展，同时基于量子控制的理论也得到了各国的研究重视。本文主要从量子控制的提出与发展以及量子控制的关键问题等发面做了简述，最后对量子控制的前景进行了展望。关键词：量子；量子控制；开环；闭环1引言量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、

2、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。随着以量子计算机和量子通信为代表的量子信息时代的到来，结合量子理论和和控制理论实现量子控[1]制系统的设想得以提出并得到大量研究，通过在微观领域利用量子的一些特性实现量子的操纵进而达到宏观上的行为或者动作是量子控制研究领域的目的。如[2]何实现对量子及其状态的操控是量子控制面临难题。世界各国都企图运用宏观[3]领域的控制理论和方法结合量子的特性进行量子的控制和研究。本文首先通过回顾量子控制理论的提

3、出和发展过程使人们对量子控制理论有一个初步的认识，然后结合国内外的最近的研究成果进行对比分析，提出制约[4]量子控制发展的关键性问题以及发展前景。2量子控制的提出与发展2.1量子控制的提出与理论研究物联网技术与应用结课论文最早提出量子系统控制的是美国华盛顿大学的Huang和Tam在1983年在论文中提出的，这篇文章主要是对量子控制的可控性进行了理论上的数学研究，并[2]且提出了展望和关键性的问题。同年,Ong等具体研究了量子力学控制系统的可逆性,文章中从理论上给出了不同量子系统的可逆性条件,并着重分析了在弱时变场下量子

4、系统的可逆性,同时还在假设系统无干扰可观的基础上建立了量子的无限维双线性模型。1984年,clark等分析了量子系统的可观性,并第一次提出和分析了量子的无干扰观测问题(QNDO)。他们分别从可控、可逆、可观这三个方向对量子控制系统进行建模和分析，并且为量子控制理论后来的发展奠定了理论基础。但是虽然在理论上量子控制理论取得了一定的成果，但是人们对于量子系统并不是完全了解，目前还没有形成完整的理论。2.2量子控制的开环系统量子理论刚提出时主要是应用于物理和化学的研究，科学家通过控制粒子的运动来观测物理现象以及改变化学反应。

5、但是当时的条件限制了当时的研究基本都是开环的控制。1988年Peirec和Dhaleh通过分析实验室中生成分子双极子的客观限制,具体讨论了分子波包的可控性。1989年Shi和Rbaitz提出了一种在和谐分子系统中通过选择合适的最优设计场来有选择合适的激发特定分子的方法。这种方法通过控制分子内部能量交换来最终实现分子局部激发的目标。之后随着激光技术的发展和突破，人们开始利用激光对量子系统进行开环控制并且在大量的研究中得到了一些具体可行的方法。通过对分子开环系统的研究，可以在化学上成功的实现一些简单的控制，但是对于比较复杂

6、的强量子时变系统，开环系统却难以满足，因此1993开始人们开始重点研究闭环系统的量子控制系统。2.3量子系统的闭环控制量子控制的闭环控制主要包含学习控制和反馈控制。在学习控制策略上，应用比较广泛而且较早的属于遗传算法，Sjudson和Rbaitz在1992年提出了量子系统的遗传控制算法，分析了算法中应该利用“遗传压力”来阻止控制场中出现物联网技术与应用结课论文对控制输出结果没有影响的量子控制转化,并建模来具体说明“遗传压力”对具体控制系统的影响，为基于遗传算法的量子控制的研究奠定了理论基础。继提出遗传算法后,Gross

7、等冲}提出了量子的梯度学习控制算法。文章中通过对所有量t子的代价梯度J/ε求平均，成功的抑制了原先存在于J中的噪声,从而得到较精确的梯度。1999年Phna和Rbaitz提出了利用线性匹配原则来对量子系统进行控制的算法。文章对非线性的量子参量进行了线性化近似,并给出了对其进行匹配迭代的具体算法。最后还通过实验证明,利用线性匹配的方法,量子控制系统可以成功地实现对量子系统模型的控制。可以看出,量子学习控制由于具有群体控制、高速控制场转换等一系列优点而被人们广泛研究,其发展过程总体上经历了一个从理论研究到线性控制,

8、再到最近的非线性学习控制的发展过程。而与此同时,闭环控制中另一个大的体系——反馈控制也随着对量子测量技术的进步而逐步的发展。反馈控制是经典控制理论的一个重要的组成部分,它通过对观测得来的系统状态参量实际值和期望值的比较,选择合适的控制函数,从而使系统按人们的期望进行动态变化。其中重要的一个环节就是对其状态进行观测和正确的反馈。对于