随着20世纪初量子力学的出现，控制量子现象以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于蒸汽机等技术中。在这种情况下，控制方法是一系列系统协议，指示如何操作设备以执行所需任务。恒温器和洗衣机等其他日常设备也是实施经典控制理论的例子。这些设备遵循用户提供给它们的一组例程。在某些情况下，特定设备（例如恒温器）将对反馈给它的测量数据采取行动，以保持所需的输出水平。

量子控制理论

经典控制理论不能充分控制量子力学操作。量子系统中的可测量量与经典系统有很大不同。量子系统本质上是微观的，并且由于其小尺寸而表现出许多独特的行为特征。例如，量子纠缠和相干性是经典系统中不存在的量子力学特性。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，人们将很多重点放在如何推导有效的量子控制模型上。

量子控制理论基于经过验证的传统控制方法。它将经典控制理论与量子力学的数学相结合。这是一个不平凡的过程，随着新兴技术的发展而不断发展。 

控制理论，无论是经典的还是量子的，都遵循两种不同的实现方法。它们是开环控制和闭环控制。这些类别中的每一个都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，一系列操作指令不依赖于任何测量。为简单起见，这可以被认为是一种线性的单向操作。如下图所示，控制器指定了一组操作协议，系统需要执行这些协议才能按预期运行。

开环控制的量子力学版本严格遵循其经典对应物的操作原理。量子和经典开环控制方法的相似之处，它们不需要通过系统的测量来更新。

量子系统开环策略的一些变体是变量控制，基于Lyapunov的控制和非相干控制。

图：(a) 开环控制； (b) 闭环控制

闭环控制

闭环控制需要对被控制的系统进行测量。如图 (b) 所示，测量是在系统上进行的，并主动反馈给控制器。控制器使用从测量中获取的数据来调整不同的参数。闭环控制器使用反馈数据来增加系统的输出。

当闭环控制技术应用于量子系统时，会引入噪声。已经开发了许多控制算法来表征量子控制中的噪声贡献。闭环学习控制、量子滤波以及直接和间接反馈控制是用于减轻量子控制中的噪声的一些策略。

量子控制理论的应用

物理学、应用数学和化学方面的研究工作极大地受益于量子控制理论。所有量子技术应用都使用量子控制理论进行控制和优化。特定的量子技术领域，如量子传感、量子计算、量子通信和量子模拟，依赖于控制理论来减少错误并提高效率。这适用于所有量子技术平台，包括超导电路、硅器件、捕获的原子和离子、光子学和微谐振器。

在量子计算中，控制理论用于稳定量子比特平台以防止退相干。量子相干性是直接影响量子计算机性能的重要属性。延长量子位的相干时间一直是量子计算进步的主要障碍。因此，不断衍生出新的量子控制模型来解决量子器件对退相干的敏感性。

量子通信协议也使用控制理论进行了优化。未来的量子互联网依赖于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，以远距离传输纠缠的量子数据。在每个节点实施量子控制理论，以优化资源和效率。

在量子传感平台中，控制理论能够极其灵敏地检测弱力。可以使用适当的控制协议隔离和放大对象和传感器之间的相互作用。在这里，控制算法解释了量子硬件的不稳定性和由此产生的系统误差贡献。

量子模拟平台由许多可调参数组成。可控变量的范围可以是资产和负债。更多参数允许研究范围广泛的复杂现象。但是可变变量的数量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。

展望

许多成功的实验和技术进步已经验证了量子控制理论的有效性。新的量子控制模型正在不断开发和测试。未来扩展量子设备的最大挑战取决于资源的有效控制和优化。量子控制理论正在迅速发展，更多的研究将使量子系统的控制得到改进。

原文链接：https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=335

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