开放量子控制系统中的哈密顿量编码-观测量解码方法研究

Theoretical and experimental studies of quantum dynamics control with the "closed-loop learning" scheme have achieved their big success, but the black box style of this scheme makes the control mechanism unknown, which blocks the development of quantum dynamics control. The HE-OD (Hamitonian Encoding-Observable Decoding) method can extract the desired informatin through encoding quantum pathways and thus is very effective in the study of the underlying mechanism. However, the existing HE-OD method is limited to closed quantum systems, and the dissipative effects such as decoherence due to the existence of external environment are not considered. To explore the control mechanism in the existence of external environment, new HE-OD method for open quantum systems needs to be developed, which constitutes the main objective of this project. Different quantum master equations will be employed to describe the influence of environment on the dynamics of quantum systems in different conditions (e.g. Markov bath, weak system-bath coupling, non-Markov bath, strong system-bath coupling). The quantum pathways will be encoded in the Liouville space, and then the pathway contribution amplitudes will be gained by decoding the observables. With the HE-OD method to be developed, the pathway dynamics control of open quantum systems will be studied, and theoretical results will be compared with experimental ones for method validation. Our studies will provide new frame to explore the control mechanism of quantum dynamics in open systems and give useful suggestions for experimental design.

基于闭环学习控制策略的量子动力学控制理论和实验取得了巨大成功，但其"黑箱"的方式导致控制机理不明，影响量子动力学控制的进一步发展。HE-OD(哈密顿量编码-观测量解码)方法通过对动力学路径编码提取相关量子信息，是研究控制机理的一种有效手段。但现有的HE-OD 方法仅限于孤立量子体系，没有考虑环境对体系的退相干等耗散效应。本项目拟发展开放量子体系中的HE-OD方法，探索环境作用下的控制机理。我们将用量子主方程描述马尔可夫热库、弱体系-热库耦合、非马尔可夫热库、强体系-热库耦合等不同情况下环境对体系动力学演化的影响，在Liouville空间中对量子路径进行编码，通过对观测量解码研究特定路径在整个量子动力学过程中的贡献；同时研究开放量子体系的动力学路径控制理论，并结合实验验证理论的有效性。本项目的研究成果将提供探索开放量子体系动力学控制机理的新的理论框架，并为实验设计提供有益的理论指导。

控制机理能够对实验设计起到指导作用，是量子控制实验的基本问题。HE-OD(哈密顿量编码-观测量解码)方法通过对动力学路径编码提取相关量子信息，是研究控制机理的一种有效手段。本项目着眼于HE-OD方法的应用与发展，通过理论与实验相结合开展相关控制实验的理论研究工作，并把此方法从孤立量子体系拓展到开放量子体系。针对目前已完成的Rb原子的HE-OD实验，我们理论研究了其双光子跃迁的两条量子路径的合作和竞争效应，揭示了两条路径幅度比随时间周期性振荡的重要特征，发现振荡频率近似等于其中一条路径中两个共振频率的失谐量；理论研究了Rb原子中两条量子路径的操控策略，发现与整形前相比，π/2阶跃相位整形方案可以提高路径幅度比到原来的3倍，8分块和更多分块的相位整形方案都可以把幅度比提高几个量级，更进一步说明了8分块方案由于利用了系统的已知信息极大地减少了控制复杂度，是实验上操纵Rb原子中量子路径的一个切实可行的控制方案，并进一步讨论了此方案向具有N条双光子跃迁路径的更一般体系的推广；为揭示开放量子系统中环境在控制机理中的作用，我们把HE-OD方法扩展到开放体系中，在Liouville 空间中对量子路径进行编码，研究了马尔可夫环境对控制目标的影响。开放体系中电子态的跃迁要么由跃迁偶极产生，要么由Lindblad算子产生，由此定义了三类量子路径。当控制目标是适中的跃迁几率时，HE-OD的结果揭示了优化脉冲场和环境的合作效应。该项目既研究了HE-OD方法在孤立体系中的实际应用，又把此方法拓展到开放量子体系，研究成果对激光量子控制实验中的机理研究具有重要意义。本项目的实施过程也促进了国际交流合作，开放体系的HE-OD方法有望用于美国普林斯顿大学Rabitz教授课题组的实验中。