面向量子操控的随机开放量子系统反馈控制策略的研究

Realization of feedback control in quantum system has been an important research field through obtaining the state information of the system by quantum measurement. However, measurement brings a stochastic term to the deterministic open quantum system, which brings new roles and effects on the dynamics of quantum system. So far, although there have been some original theoretical proposals and experimental explorations on the quantum control of stochastic open quantum system, it is far from the desired goal. Therefore, in the project we aim to investigate the following topics:.(1) Taking into account the stochastic effect and delay effect in quantum measurement and quantum feedback, we investigate the dynamics of stochastic open quantum system and explore the new quantum effects. .(2) Explore approaches and strategies to obtain correct state information, and realize accurate output gathering based on quantum continuous measurement, quantum filtering and quantum pattern recognition..(3) Choosing the coherence and fidelity of quantum state as the performance criterion, we expect to establish a real time feedback controller of the stochastic quantum system to explore arbitrary sate preparation, state transfer, state tracking and decoherence suppression.

通过实施量子测量获取系统的状态信息，进而在量子系统中实现反馈控制是量子工程一个关键研究方向。然而，测量会给确定性的开放量子系统带来随机项，进而对量子系统的动力学过程带来新的作用和影响。目前，对随机开放量子系统的量子控制已有一些原创性的理论和实验探索，但远未达到期望的目标。鉴于此现状，本项目拟：.（1）计入量子测量过程及反馈过程引发的随机效应与时间延迟效应，研究随机开放量子系统的动力学特性，探索其中新的量子效应；.（2）探索基于量子连续测量、量子滤波及量子模式识别等技术，正确获取随机量子系统状态信息的途径与策略，实现系统状态输出信号的精确采集；.（3）以量子态的相干性和保真度等为性能指标，构建随机量子系统的状态实时反馈控制器，探索系统任意量子态的制备、状态转移、状态跟踪及抑制退相干的控制策略。

实施量子测量获取系统的状态信息，进而对量子系统实现反馈控制是量子工程一个关键的研究方向。在本项目的研究中，融合应用量子理论与反馈控制理论，我们针对随机量子系统提出了一些状态识别、状态调控的策略与方法。取得的主要研究成果如下：.（1）将量子弱测量方式与量子反馈控制相结合，实现了量子态的有效辨识，实现了高精度的量子测量。研究发现：无信息反馈控制可以成为有效的控制方法，不仅可以实现对量子参数的高精度测量，也能够实现高效的状态转移控制；利用动力学解耦技术，同样能有效地提升对一些特定系统量子参数测量的精度。.（2）研究发现: 将量子李雅普诺夫控制与反馈控制的方法相结合，是构建闭环的量子反馈控制系统，提升被控系统的稳定性，进而提升状态转移控制的效果有效途径；通过优化选择李雅普诺夫函数，能够在多比特开放系统中实现快速状态转移控制，从而有效地提升系统抑制退相干的鲁棒性。.（3）量子存储器在量子信息中的地位比经典存储器在经典信息中的地位更加重要。研究发现：在可以选择单一耗散信道的情况下，应该将量子寄存器置于无耗散的信道中，有利于降低系统的熵不确定度。.（4）研究发现:自旋环境处于以Bell 态为单元的块纠缠态时，有利于降低系统熵的不确定性，抑制量子关联资源的衰减；此外还发现自旋环境中的高频粒子可以显著地增强系统量子关联的鲁棒性。. 本项目已完成了计划书中的全部研究内容，实现了预定的研究目标。基于本项目研究的成果，能够为量子态工程的实际应用提供一些具有可操作性的理论依据与指导。