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(jì)初誕生以來(lái)，就開(kāi)始深刻的影響和改變著人類社會(huì)：它為人們了解和改造微觀世界提供了理論基礎(chǔ)，并推動(dòng)了激光、半導(dǎo)體、核能等高科技的發(fā)展。量子理論在快速發(fā)展的同時(shí)，不斷與其他學(xué)科交叉融合，量子信息學(xué)就是量子理論與信息科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的一門新興學(xué)科，它的迅速發(fā)展必將帶來(lái)科學(xué)界的又一次革命。
　　 量子信息學(xué)以量子態(tài)作為信息單元，要處理量子信息就需要對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，因此以研究量子系統(tǒng)主動(dòng)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(lái)量子控制已經(jīng)成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，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(guò)程中也開(kāi)始從最初的開(kāi)環(huán)控制向閉環(huán)控制逐步邁進(jìn)，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(guān)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(xué)規(guī)律與經(jīng)典力學(xué)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(lái)完成量子反饋控制中的信息

3、獲取任務(wù)。
　　 本文首先綜述了量子控制的主要研究?jī)?nèi)容和量子反饋控制的最新研究進(jìn)展，結(jié)合量子反饋控制的特點(diǎn)，分析了利用量子層析對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量的可行性，并進(jìn)一步提出了基于量子過(guò)程層析的量子控制系統(tǒng)辨識(shí)方案，設(shè)計(jì)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(gè)方面：
　　 (1)提出了基于量子層析的量子態(tài)測(cè)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(duì)象。由于量子態(tài)遵循的是量子力學(xué)

4、規(guī)律，量子不可克隆定理和不確定性關(guān)系使得對(duì)量子態(tài)的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生“量子塌縮”現(xiàn)象，這給量子信息獲取帶來(lái)了極大的困難，我們?cè)噲D利用量子層析技術(shù)來(lái)解決這一難題。量子層析一詞來(lái)源于醫(yī)學(xué)中的計(jì)算機(jī)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(jì)測(cè)量方法。根據(jù)量子力學(xué)的知識(shí)我們知道一個(gè)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(shuō)我們已經(jīng)掌握了這個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息。量子層析恰好可以通過(guò)測(cè)量未知量子態(tài)的大量全同

5、樣本的一組完備可觀測(cè)量的平均值來(lái)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(duì)象，設(shè)計(jì)了利用量子層析重構(gòu)量子態(tài)密度矩陣的實(shí)驗(yàn)方案，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)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(shè)計(jì)了基于量子過(guò)程層析的量子控制系統(tǒng)辨識(shí)方案
　　 想要更好的設(shè)計(jì)量子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更為精確的主動(dòng)控制，設(shè)計(jì)者需要了解控制系統(tǒng)的性能和參數(shù)。為解決這一問(wèn)題，

6、我們提出了基于量子過(guò)程層析的量子控制系統(tǒng)辨識(shí)。量子過(guò)程層析是一項(xiàng)基于量子層析的主要應(yīng)用，在量子通訊領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用于測(cè)定量子信道參數(shù)，主要過(guò)程如下：首先選擇一組完備的輸入量子態(tài)ρin，讓其通過(guò)量子信道，然后利用量子層析測(cè)定輸出量子態(tài)ρoul，并根據(jù)輸入與輸出之間的關(guān)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(chǎng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)辨識(shí)方案，同樣利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行了模擬，結(jié)果證明，該方案能夠有效的對(duì)量子控制系統(tǒng)進(jìn)行

7、參數(shù)辨識(shí)。
　　 (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(diǎn)，近年來(lái)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(shí)延非馬爾可夫量子反饋，用來(lái)反饋的信號(hào)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(hào)，且在一定程度上可以保持量子系統(tǒng)的相干性，但這些系