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本文探究了量子反馈控制的基本特点。反馈是控制理论中核心的概念。经典控制论中对反馈控制已经有了很好的研究,但是目前对量子反馈控制的研究仍处于探索阶段,有许多根本性问题与概念尚不清晰。本文率先提出并探究了两个基本的反馈控制问题:1.反馈控制对于量子控制系统是否仍然优于歼环控制;2.引入反馈后量子主方程模型是否仍适用。主要结果如下:
首先,探究了量子系统的反馈控制是否仍然优于开环控制这个根本问题。注意到这个问题的解答绝非像在经典控制论中那样显然。因为要进行反馈控制就必须获得系统的部分信息,也就是需要对系统进行测量,而测量对经典系统状态与对量子系统状态的影响是完全不同的。对于经典系统,一般可以忽略测量对系统状态的影响,即不考虑测量的后效效应。而对于量子系统,测量必然会导致量子态的随机坍缩,这种随机坍缩与测量装置的精度无关,是量子系统固有的,这一点与经典系统的情形完全不同。因而,对于量子反馈控制问题,在测量获得信息与增加不确定性之间存在着复杂的博弈。
本文通过一个量子光学与冷原子物理中典型的相干控制模型对两种控制模式的控制效果进行了比较。理论上严格证明了忽略退相干作用时,反馈控制对付初态不确定性的能力一定意义下仍然强于开环控制。当考虑退相干作用时,首先从理论上给出了开环控制和反馈控制对付退相干的一组极限,进而又找到一组反馈控制律,通过大量仿真实验,发现可以突破开环控制下的极限,优于开环控制。
其次,探究了引入反馈信号后经典量子主方程模型是否仍适用这一基本问题。在现有文献中,主方程模型与随机主方程模型都被广泛应用于研究开放量子系统的控制问题。量子主方程模型描述的是量子系统轨迹平均的演化,而量子随机主方程模型描述的是量子系统轨迹的演化。在不考虑反馈控制时,根据对量子系统所采用的测量方式不同,量子系统有着不同的轨迹实现,但其轨迹平均的演化可能是相同的。即一个量子主方程模型可以有各种各样的拆分,对应于不同的量子随机主方程模型。量子主方程模型可以被看作描述了忽略测量信息后量子系统状态的演化。因此,在进一步考虑反馈控制时,采用量子主方程模型就相当于先对轨迹取平均然后再做反馈控制;而采用量子随机主方程模型是先对每条轨迹做反馈控制然后再对轨迹取平均。
本文通过一个典型的相干控制模型和~个典型的控制任务,强调了测量信息在反馈控制过程中的重要性;说明了反馈控制与轨迹平均的不可交换性;阐明了随机主方程模型用于量子反馈控制的优越性、合理性。