本书分别对封闭和开放量子系统的控制理论与方法进行研究，借鉴宏观系统控制理论中有效的思想理念、数学分析和设计方法，与量子系统特有的性能和控制目标相结合，发展和建立了有效解决量子信息、量子计算以及量子通信走向实用化过程中所遇到的相关问题的控制理论与方法，包括量子纯态、混合态、纠缠态的制备，各种量子态之间状态的高效、快速转移与操纵，量子门的制备方案，演化中量子状态的跟踪，开放量子系统的状态保持、保真以及容错.从系统控制角度，本书对理想和非理想量子系统的高精度操控以及量子系统的实际应用提供理论支持和科学基础.在控制理论方面，本书重点对基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法和收敛性能进行深入的探讨，提出了一套完整、统一的封闭量子系统李雅普诺夫控制的理论与方法，解决了封闭量子系统在具有衰减内部哈密顿量以及非全连接控制哈密顿量非理想情况下的量子系统的收敛控制问题。本书对所提出的控制理论与方法都同时进行了量子系统仿真实验的研究和性能的对比与分析。
丛爽，中国科学技术大学自动化系二级教授，意大利国家博士，博士生导师。在靠前外学术刊物和学术会议上发表学术论文500余篇，以独立及作者出版专著11部（含英文一部），主编2部（含英文一部），先后承担国家各类基金等30余项研究课题。获得国家发明12项，曾获中国科学院很好青年学者奖、安徽省自然科学二等奖、安徽省科技很好论文一等奖。现为IFAC（靠前自动化联合学会）控制设计技术委员会委员，中国自动化学会系统仿真专业委员会副主任委员；中国自动化学会控制理论与应用专业委员会委员。
前言
章 概论
1．1量子系统控制的发展状况
1．2量子分子动力学中的操纵技术和系统控制理论
1．2．1量子分子动力学的操纵技术
1．2．2激光脉冲成型操纵技术
1．2．3波包泵浦当浦方案
1．2．4量子分子动力学的控制理论
1．2．5系统幺正演化矩阵的控制
1．2．6几何控制
1．2．7量子最优控制理论
1．2．8基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法
1．3量子系统中的状态估计方法
1．3．1量子系统状态估计的背景
1．3．2基于测量全同复本系统的量子状态估计方法
1．3．3基于系统论观点的量子状态重构方法
1．4开放量子系统消相干控制研究进展
1．4．1量子系统中的消相干现象
1．4．2抑制消相干的控制策略
1．5开放量子系统量子态相干保持的控制策略
1．5．1编码方法
1．5．2量子动力学解耦
1．5．3最优控制法
1．5．4相干控制法
1．5．5反馈控制法
1．5．6复合控制
1．6本书内容安排
第2章 量子系统模型的求解与分析
2．1量子系统状态与Bloch球的几何关系
2．1．1纯态与Bloch矢量的对应关系
2．1．2混合态的Bloch球几何表示
2．1．3小结
2．2纯态与混合态的几何代数分析
2．2．1纯态的几何代数表示方法
2．2．2混合态的几何代数表示方法
2．2．3几何代数表示方法与Bloch矢量的对应关系
2．3二阶含时量子系统状态演化的一种求解方法
2．3．1时变系统矩阵的一般分析
2．3．2时变系统矩阵的变换
2．3．3基于系统矩阵本征值和本征态的简化运算
2．3．4应用举例
2．4基于Bloch球的量子系统轨迹控制
2．4．1单量子比特的Bloch球表示
2．4．2单自旋1/2粒子的控制
2．4．3数值仿真实验及其结果分析
第3章 封闭量子系统的控制方法
3．1基于Krotov法的量子最优控制
3．1．1量子系统中的最优控制方法
3．1．2改进的量子最优控制方法
3．1．3Krotov最优控制设计方法
3．1．4数值仿真实验及其性能分析
3．2基于最优搜索步长的量子控制
3．2．1最优控制律的求解
3．2．2自旋1/2粒子系统的应用实例
3．3平均最优控制在量子系统中的应用
3．3．1利用平均方法进行最优控制
3．3．2控制器的设计
3．3．3数值仿真实验及其结果分析
3．3．4小结
3．4自旋1/2粒子系统的相位相干控制
3．4．1相干态的制备
3．4．2数值仿真实验及其结果分析
3．4．3小结
3．5高维自旋1/2系统布居数转移的控制
3．5．1控制脉冲与系统哈密顿量的关系
3．5．2控制脉冲序列的设计
3．5．3数值仿真实验及其结果分析
3．6两种量子系统控制方法的性能对比
3．6．1封闭量子系统的控制律
3．6．2数值仿真实验及其结果分析
3．6．3小结
第4章 基于李雅普诺夫的量子系统控制理论：本征态制备
4．1基于距离的李雅普诺夫控制方法
4．1．1量子状态之间的距离
4．1．2控制律的设计
4．1．3控制系统收敛性分析
4．1．4自旋1/2粒子系统的数值仿真
4．2基于偏差的李雅普诺夫控制方法
4．2．1控制律的设计
4．2．2控制系统收敛性分析
4．2．3系统数值仿真
4．3基于虚拟力学量均值的李雅普诺夫控制方法
4．3．1控制律的设计
4．3．2控制系统收敛性分析
4．3．3虚拟力学量的构造
4．3．4系统数值仿真
4．4三种李雅普诺夫控制方法的比较
4．4．1对一个五能级系统控制效果的仿真及分析
4．4．2三个李雅普诺夫函数之间的关系及其统一形式
4．4．3三种方法的控制特性比较
4．5向量控制律的设计
4．5．1设计方法
4．5．2控制系统收敛性分析
4．5．3双控制场情况下的数值仿真
第5章 基于李雅普诺夫的量子系统控制理论：一般态转移
5．1叠加态的驱动
5．1．1控制律的设计
5．1．2数值仿真实验及其结果分析
5．2纯态的最优控制
5．2．1控制律的设计
5．2．2数值仿真实验及其结果分析
5．3混合态的最优控制
5．3．1混合态的描述
5．3．2控制律的设计
5．3．3数值仿真实验及其结果分析
5．4纯态到混合态的驱动
5．4．1纯态到本征态的驱动
5．4．2本征态到非零值非对角元混合态的驱动
5．4．3非零值非对角元混合态到零值非对角元混合态的驱动
5．4．4数值仿真实验及其结果分析
5．5量子位有效纯态的制备
5．5．1系统模型
5．5．2控制律的设计
5．5．3数值仿真实验及其结果分析
第6章 基于李雅普诺夫的量子系统控制理论：收敛性分析
6．1理想条件下混合态量子系统的控制策略
6．1．1基本概念
6．1．2控制律的设计
6．1．3拉塞尔不变集
6．1．4收敛性分析
6．1．5P的构造
6．2广义条件下混合态量子系统的控制策略
6．2．1密度矩阵的Bloch矢量体系
6．2．2控制系统的收敛状态集
6．2．3P的构造
6．2．4构造实例
6．3基于轨迹规划方法的一种控制策略
6．3．1问题的描述
6．3．2控制律的设计
6．3．3李雅普诺夫函数的分析
6．3．4收敛性的证明
6．3．5数值仿真实验及其结果分析
第7章 退化情况下的李雅普诺夫控制方法
7．1基于状态距离的隐式李雅普诺夫方法
7．1．1控制律的设计
7．1．2控制系统收敛性证明
7．1．3数值仿真实验
7．1．4小结
7．2基于状态偏差的隐式李雅普诺夫控制方法
7．2．1控制律的设计
7．2．2控制系统收敛性证明
7．2．3基于距离和偏差方法之间的关系
7．2．4数值仿真实验
7．3基于虚拟力学量均值的隐式李雅普诺夫控制方法
7．3．1控制律的设计
7．3．2控制系统收敛性证明
7．3．3目标态为叠加态时的情况
7．3．4三种隐式李雅普诺夫函数的关系
7．3．5数值仿真实验
7．3．6小结
7．4任意状态转移的隐式李雅普诺夫控制方法
7．4．1控制系统模型
7．4．2控制律的设计
7．4．3控制系统收敛性分析
7．4．4数值仿真实验
7．4．5小结
第8章 纠缠态的探测与制备
8．1纠缠探测与纠缠测量
8．1．1纠缠态的表示
8．1．2分离判据
8．1．3纠缠目击者
8．1．4纠缠目击者在实验中的应用
8．1．5纠缠的量化
8．1．6非线性分离判据
8．2量子系统的施密特分解及其几何分析
8．2．1量子态的施密特分解
8．2．2基于施密特分解的纠缠度定义
8．2．3施密特分解的应用
8．2．4小结
8．3双自旋系统的纠缠态制备
8．3．1相互作用图景下的系统模型
8．3．2基于李雅普诺夫的控制律设计
8．3．3数值仿真实验及其结果分析
8．3．4小结
第9章 开放量子系统的模型
9．1热浴环境下的马尔可夫量子系统模型
9．1．1与热浴作用的量子系统的精确动力学方程
9．1．2玻恩主方程
9．1．3马尔可夫主方程
9．1．4几种常见的马尔可夫主方程
9．1．5非马尔可夫主方程简介
9．1．6热浴能量不守恒时的系统动力学方程
9．1．7小结
9．2非马尔可夫量子系统模型
9．2．1NakajimaZwanzig主方程
9．2．2时间无卷积主方程
9．2．3微扰形式下的非马尔可夫主方程
9．2．4非微扰形式下的非马尔可夫主方程
9．2．5保持正定性的非马尔可夫主方程
9．2．6其他非马尔可夫主方程
9．2．7非马尔可夫概率薛定谔方程
9．2．8小结
0章 开放量子系统状态调控
10．1布居数转移最短路径的决策
10．1．1离散时间马尔可夫决策过程模型
10．1．2二能级量子系统布居数转移的最短路径
10．1．3复杂马尔可夫决策过程
10．2Lindblad主方程的最优布居数转移
10．2．1问题的描述
10．2．2最优控制律的设计
10．2．3微分方程的变换
10．2．4数值仿真实验及其结果分析
10．3状态转移的最优控制
10．3．1问题的描述
10．3．2最优控制律的设计
10．3．3数值仿真实验及其结果分析
10．4相互作用粒子的纯度保持
10．4．1问题的描述
10．4．2连续场作用下纯度的演化
10．4．3控制场的设计
10．4．4数值仿真实验及其结果分析
10．5基于相互作用的耗散补偿
10．5．1问题的描述
10．5．2相互作用类型的选择
10．5．3耗散补偿的设计
10．5．4数值仿真实验及其结果分析
10．6弱测量及其在开放系统控制中的应用
10．6．1弱测量算子的构造
10．6．2弱测量的适用性
10．6．3基于弱测量的耗散控制
1章 无消相干子空间中量子态的控制与保持
11．1Λ型三能级原子的相干态保持
11．1．1问题描述及无消相干目标态的构造
11．1．2系统状态转移和相干保持控制律的设计
11．1．3数值仿真实验及其结果分析
11．2一般开放量子系统的状态转移和相干保持
11．2．1问题描述及无消相干子空间的构造
11．2．2系统状态转移和相干保持控制律的设计
11．2．3数值仿真实验及其结果分析
11．3无消相干子空间中量子态调控的收敛性
11．3．1系统描述与问题的提出
11．3．2控制场的设计
11．3．3P的构造与收敛性分析
11．3．4数值仿真实验及其结果分析
2章 动力学解耦量子控制方法
12．1量子动力学解耦原理
12．2振幅和相位消相干下的动力学解耦策略
12．2．1模型介绍：Ξ型n能级原子系统
12．2．2Ξ型n能级原子系统的动力学解耦条件
12．2．3动力学解耦策略的设计
12．2．4Ξ型八能级原子系统的实例设计
12．3一般消相干下的动力学解耦策略设计
12．3．1动力学解耦条件推导
12．3．2动力学解耦方案设计
12．3．3Ξ型三能级原子系统的实例设计
12．3．4小结
12．4一种优化的动力学解耦策略设计
12．4．1两种动力学解耦策略原理简介
12．4．2动力学解耦策略的优化设计
12．4．3Ξ型三能级原子系统的实例仿真
12．4．4复合动力学解耦策略的设计讨论
12．4．5小结
3章 量子系统的跟踪控制
13．1基于李雅普诺夫方法的量子轨迹跟踪
13．1．1量子态的描述与系统模型
13．1．2控制律的设计
13．1．3数值仿真实验及其结果分析
13．2量子系统的跟踪控制
13．2．1系统模型及其变换
13．2．2控制律的设计
13．2．3数值仿真实验及其结果分析
13．3不同目标函数的量子系统动态跟踪
13．3．1问题描述与控制目标
13．3．2控制系统设计
13．3．3数值仿真实验及其结果分析
13．3．4小结
13．4收敛性分析与证明
13．4．1控制系统的模型
13．4．2控制律的设计
13．4．3控制系统跟踪性能分析
13．4．4数值仿真实验及其结果分析
13．4．5小结
4章 量子系统控制的应用
14．1问题描述和控制任务
14．2控制律的设计与系统仿真实验
14．2．1参数调控方法与思路
14．2．2参数调整实验
14．3实验结果分析参考文献
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