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研究种类：Quantum Computing, Quantum Control Theory
原文作者: Ilamaran Sivarajah
创作者：Wonder@DAOrayaki.org
审核者：HTseaaat@DAOrayaki.org
原文: What is Quantum Control Theory?
量子控制理论是一个理论框架，目前发展为两部分：动态控制和操纵量子系统。
随着 20 世纪初量子力学的出现，控制量子现象来开发有用的设备一直是科学家的目标。量子控制是经典理论和量子理论的结合。
经典控制理论
早在 1788 年，经典控制理论就应用在蒸汽机等技术中。这时期的控制方法是一系列的系统协议，指示如何操作设备来完成预期任务。其他日常设备，如恒温器和洗衣机也是运用经典控制理论的例子，这些设备遵循一套由用户提供的常规程序。在某些情况下，一个特定的设备，例如恒温器，会根据反馈给它的测量数据采取行动，从而保持一个理想的输出水平。
量子控制理论
经典控制理论不能充分控制量子力学操作。量子系统与经典系统中可测量量差异很大。量子系统在本质上是微观系统，由于其体积小而表现出许多独特的行为特征。例如，量子纠缠和一致性是量子力学的特性，而不会出现在经典系统中。控制量子系统需要量子理论。
量子控制理论仍然是一个发展中的研究领域。近年来，由于量子技术的快速发展，人们对推导出高效的量子控制模型给予了大量的关注。
量子控制理论是基于成熟的传统控制方法，并将经典的控制理论与量子力学的数学相结合。这是一个非同寻常的过程，会随着新兴技术的发展而不断发展。
无论是经典控制理论还是量子控制理论，都需要遵循两种不同的实施方法：开环控制和闭环控制，它们分别采用了不同的数学技术和方程式。
开环控制
在开环控制理论中，一系列的操作指令并不依赖于任何测量。简单来说，可以认为这是一种线性的、单向的操作。如图 1 所示，控制器指定了一套需要执行的操作规程，使系统按照预期运行。
量子力学版的开环控制也需要遵循经典理论中对应的操作原则。量子理论和经典理论在开环控制方法上的相似之处是，它们不需要通过系统的测量来更新。
不同之处在于，量子系统的开环策略是可变控制、基于李亚普诺夫函数的控制和非相干控制。
闭环控制
闭环控制需要对被控制的系统进行测量。如图 1（b）所示，需要对系统进行测量，并主动反馈给控制器。控制器使用从测量中获得的数据来调整不同的参数。一个闭环控制器使用反馈数据来增加系统的输出。
当将闭环控制技术应用于量子系统时，就会引入噪声。目前已开发出许多控制算法，用于描述量子控制中的噪声贡献。减轻量子控制中噪声的一些策略包括闭环学习控制、量子滤波、直接反馈控制和间接反馈控制。
量子控制理论的应用
量子控制理论对物理学、应用数学和化学的研究工作益处颇多。所有的量子技术应用都使用量子控制理论进行控制和优化。具体的量子技术领域，如量子传感、量子计算、量子通信和量子模拟，都要依靠控制理论来减轻误差和提高效率。这涉及到所有的量子技术平台，包括超导电路、硅器件、被俘获的原子和离子、光子学和微型谐振器。
在量子计算中，控制理论被应用于稳定量子比特平台以防止退相干。量子一致性是直接影响量子计算机性能的一个重要属性。延长量子比特的相干时间一直是量子计算进展中的一个主要障碍。因此，新的量子控制模型不断被推导出来，以解决量子设备对退相干的易感知性。
量子通信协议也在使用控制理论进行优化。未来的量子互联网依靠量子存储器和量子中继器来存储、检索和中继信息。目前正在开发和测试量子网络节点，以便在大范围内传输量子纠缠数据。在每个节点应用量子控制理论，可以优化资源和效率。
在量子传感平台中，控制理论能够对弱相互作用进行极其敏感的检测。物体和传感器之间的相互作用可以通过适当的控制协议被隔离和放大。此处量子硬件的不稳定性和由此产生的系统误差贡献由控制算法负责。
量子模拟平台由许多可调整的参数组成。可控变量的范围可以是一种资产，也可以是一种责任。更多的参数允许对广泛的复杂现象进行研究。但可变变量的数目变化容易出现更多的错误。量子控制理论是量子模拟中有效监控所有参数的宝贵工具。
未来展望
诸多成功的实验和技术的进步都验证了量子控制理论的功效。目前正在持续开发和测试新的量子控制模型，未来扩展量子设备的最大挑战取决于对资源的有效控制和优化。量子控制理论正在迅速发展，更多的研究将使对量子系统的控制得到改善。
参考资料和拓展阅读
https://arxiv.org/abs/0910.2350
https://d-biswa.github.io/Teaching/RM03_Mabuchi_Khaneja_Quantum.pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1049250X1830003X?via%3Dihub
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