基于测量的随机量子系统反馈控制

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量子控制理论在量子化学、量子信息等领域有着重要的应用,并取得了重大成功。测量是获取关于被控系统有效信息的重要途径,对某一力学量进行投影或连续测量,将得到该力学量的本征值之一,波函数也相应突变或连续演化至对应于这个本征值的本征态上。80年代后期,人们提出了基于测量的反馈控制,随后基于测量的反馈控制方法相继被提出和研究。无论是对于确定性量子系统还是随机量子系统,量子态的制备问题都受到了广泛的关注和研究。受量子测量理论的限制,基于测量的量子态制备都是指被测物理量的本征态制备。贝尔态是具有最大纠缠度的双量子位系统纠缠态,也是构成量子通信的强大资源。纠缠态是量子系统不同于经典系统的主要特征之一,在量子信息领域有着许多重要的应用。本论文研究基于测量的随机量子系统的量子态制备问题,主要针对双量子位系统的贝尔态制备和有限维随机角动量系统被测物理量的本征态制备。论文的主要内容包括:1)介绍量子控制的起源、发展和应用,回顾经典系统中的控制方法在量子系统上的应用,并在重点分析量子反馈控制现状的基础上指出本论文要研究的问题。2)研究双量子位系统贝尔态的制备方案,提出两种具体的控制策略:基于状态空间分割的切换控制策略和基于不同模型间切换的控制策略。对于第一种切换控制策略,首先,在连续量子测量的理论框架下选择适当的被测物理量和控制通道;然后,对状态空间进行划分,并提出切换控制律的设计方法;最后,论证切换控制律下闭环系统的稳定性,并通过仿真实验验证该方案对于目标贝尔态的反馈稳定化制备效果。对于第二种切换控制策略,论文将首先提出通过不同模型间的切换实现控制目标的方法;然后,根据给定的目标贝尔态,对于每个模型选择合适的控制哈密顿量,并提出两个模型间切换准则的设计方法;最后,从理论上论证整个切换系统的稳定性,并利用仿真实验验证所提出的不同模型间切换控制策略的有效性。3)研究切换控制律对于随机角动量系统的应用,并制备角动量算子(被测物理量)的本征态。通过对系统的状态空间进行划分,论文将给出Bang-Bang控制律的切换条件,并结合李雅普诺夫稳定性理论和随机LaSalle不变原理分步论证闭环系统对于目标本征态的全局稳定性。
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