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從經典到量子系統閉環反饋控制(下量子系統的反饋控制理論)(精)

  • 作者：叢爽|責編:田雪//蘇雲龍
  • 出版社：中國科大
  • ISBN：9787312059513
  • 出版日期：2024/09/01
  • 裝幀：精裝
  • 頁數：534
人民幣：RMB 138 元      售價：元
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內容大鋼
    不論是宏觀系統還是微觀量子系統，任何系統控制的高精度性能都來源於閉環反饋而不是開環控制系統的設計。本書圍繞微觀量子系統的閉環反饋控制理論進行系統深入的研究。在封閉量子系統狀態的閉環反饋控制理論中，重點進行基於李雅普諾夫量子控制方法的特性分析以及統一的量子李雅普諾夫控制方法的設計；在開放量子系統狀態保持與反饋控制中，專門針對開放量子系統控制的狀態保持及其特性分析以及非馬爾可夫開放量子系統狀態保持時間及其控制進行研究；在基於反饋控制的開放量子系統算符的製備中，主要對馬爾可夫和非馬爾可夫系統製備非門進行設計與分析。本書還進行有關隨機開放量子系統的開關反饋控制、量子系統反饋跟蹤控制的研究；同時還更加系統地對量子測量理論與應用、基於優化演算法的量子狀態估計、基於深度神經網路的量子狀態估計，以及基於實時在線估計的量子系統反饋控制與跟蹤進行系統研究，為基於實時在線估計的量子系統的高精度閉環反饋控制提供堅實的理論基礎。
    本書是作者多年研究成果的集成，可以作為量子物理化學、量子信息與通信，以及對量子系統控制感興趣的電子、力學工程、應用數學、計算科學以及控制工程等領域研究生的教材或參考書。
作者介紹
叢爽|責編:田雪//蘇雲龍
    叢爽，中國科學技術大學自動化系二級教授，博士生導師，義大利國家博士。     自1989年開始從事運動控制的研究，2000年起開始從事量子系統控制理論與方法的研究。迄今在量子系統控制理論與方法、先進控制策略及其在運動控制中的應用和優化演算法等方面，在國內外學術刊物和學術會議上發表學術論文560余篇。獨立或以第一作者身份出版專著12部，主編圖書2部；先後承擔國家「973」計劃、國家自然科學基金、中國科學院院長基金、安徽省自然科學基金等30余項研究課題。獲得國家發明專利授權35項，以及包括中國科學院優秀青年學者獎、安徽省自然科學獎二等獎、安徽省科技優秀論文一等獎在內的省部級獎13項和國際會議及國際雜誌獎5項。兼任IFAC（國際自動化聯合學會）控制設計技術委員會委員、中國自動化學會系統模擬專業委員會副主任委員、中國自動化學會控制理論與應用專業委員會委員。
目錄
前言
第1章  概論
  1.1  量子系統反饋控制理論研究現狀
  1.2  量子系統狀態估計研究現狀
    1.2.1  量子態層析
    1.2.2  基於壓縮感知量子態估計研究現狀
    1.2.3  在線量子狀態估計發展現狀
  1.3  神經網路量子態估計器的研究現狀
  1.4  本書內容安排
第2章  量子系統基本概念與理論基礎
  2.1  量子力學基礎
    2.1.1  量子態與狀態空間
    2.1.2  力學量和算符
  2.2  量子系統及其環境
    2.2.1  量子系統、環境與熱庫
    2.2.2  複合系統和狀態空間的運算
    2.2.3  多體系統的糾纏態
  2.3  封閉量子系統的狀態演化方程
    2.3.1  薛定諤方程
    2.3.2  劉維爾方程
  2.4  開放量子系統的狀態演化方程
    2.4.1  馬爾可夫主方程
    2.4.2  非馬爾可夫開放量子系統主方程
    2.4.3  隨機開放量子系統模型
  2.5  量子測量
    2.5.1  投影測量
    2.5.2  POVM測量
  2.6  薛定諤繪景、海森伯繪景和相互作用繪景
  2.7  李雅普諾夫穩定性定理
  2.8  Ito引理與Ito乘積法則
第3章  封閉量子系統狀態的閉環反饋控制理論
  3.1  基於李雅普諾夫量子系統控制方法的狀態調控
    3.1.1  引言
    3.1.2  量子系統的狀態驅動
    3.1.3  基於李雅普諾夫量子控制方法的特性分析
    3.1.4  基於李雅普諾夫方法的量子系統控制的設計
  3.2  統一的量子李雅普諾夫控制方法
    3.2.1  被控量子系統描述與控制任務
    3.2.2  解決問題的主要思路
    3.2.3  統一李雅普諾夫的控制方法設計
    3.2.4 定理3.1的證明
    3.2.5  通用控制方法設計流程
    3.2.6  數值模擬及結果分析
第4章  開放量子系統狀態反饋控制與保持
  4.1  馬爾可夫型開放量子系統中的量子態控制與保持
    4.1.1  系統模型及控制問題描述
    4.1.2  量子系統中無消相干子空間的描述
    4.1.3  控制場設計及系統穩定性分析
    4.1.4  數值模擬及跟蹤性能分析
  4.2  二能級非馬爾可夫型開放量子系統狀態轉移

    4.2.1  二能級系統的非馬爾可夫模型描述
    4.2.2  非馬爾可夫開放量子系統的特性分析
    4.2.3  控制問題描述及控制場設計
    4.2.4  數值模擬和結果分析
第5章  基於反饋控制的開放量子系統算符的製備與保持
  5.1  開放量子系統的數學模型
    5.1.1  算符的動力學方程
    5.1.2  算符可達集
  5.2  反饋控制場設計
    5.2.1  李雅普諾夫函數的構造
    5.2.2  控制場設計
    5.2.3  魯棒性分析
  5.3  算符精度和特性的性能指標
    5.3.1  算符距離
    5.3.2  算符保真度
    5.3.3  算符純度
  5.4  數值模擬實驗及其結果分析
    5.4.1  基於V和Vds設計控制場對馬爾可夫系統製備非門
    5.4.2  基於V設計不同形式的控制場對馬爾可夫系統製備非門
    5.4.3  基於V設計控制場對非馬爾可夫系統和封閉系統製備非門
    5.4.4  魯棒性實驗及結果分析
第6章  隨機開放量子系統的開關反饋控制
  6.1  隨機量子系統的數學模型
  6.2  特殊本征態的收斂控制
    6.2.1  特殊本征態的控制場設計
    6.2.2  特殊本征態的收斂性證明
    6.2.3  數值實驗及結果分析
  6.3  任意本征態的收斂控制
    6.3.1  任意本征態的控制場設計
    6.3.2  任意本征態的收斂性證明
    6.3.3  數值實驗及結果分析
  6.4  純態開關反饋控制
    6.4.1  被控系統及其任務描述
    6.4.2  控制場設計及其特性分析
    6.4.3  系統數值模擬實驗及其結果分析
  6.5  混合態的收斂控制
    6.5.1  混合態的控制場設計
    6.5.2  混合態的收斂性證明
    6.5.3  數值實驗及結果分析
第7章  量子系統反饋跟蹤控制
  7.1  目標為系統自由演化軌跡的軌道跟蹤控制
    7.1.1  跟蹤問題描述
    7.1.2  跟蹤控制場設計
    7.1.3  系統模擬實驗及其結果分析
  7.2  跟蹤自由演化目標軌跡的收斂性分析
    7.2.1  不同目標態的收斂性分析
    7.2.2  系統模擬實驗及其結果分析
    7.2.3  動力學系統不變集下的收斂性分析
  7.3  N維封閉量子系統軌跡跟蹤的統一控制
    7.3.1  系統模型和問題描述及解決問題的設計思想

    7.3.2  統一量子跟蹤控制的設計
    7.3.3  數值模擬實驗及其結果分析
第8章  量子測量理論與應用
  8.1  量子反饋控制中的測量理論與技術
    8.1.1  量子測量理論
    8.1.2  量子系統測量技術
  8.2  基於最優測量的二能級量子系統的本征態轉移
    8.2.1  基於最優測量的量子態調控
    8.2.2  最優測量對量子狀態轉移的性能分析
  8.3  基於最優觀測集的任意量子純態估計
    8.3.1  量子測量與量子狀態估計
    8.3.2  任意純態重構的最優測量配置
    8.3.3  基於最優觀測量集合的量子態估計
第9章  基於優化演算法的量子狀態估計
  9.1  改進的交替方向乘子法及其在量子態估計的應用
    9.1.1  ADMM演算法原理
    9.1.2  基於不動點方程的ADMM改進方法
    9.1.3  系統模擬實驗及其結果分析
  9.2  基於壓縮感知的量子狀態估計演算法的性能對比
    9.2.1  基於壓縮感知的量子狀態估計問題描述
    9.2.2  優化演算法設計
    9.2.3  系統狀態估計實驗
  9.3  量子狀態濾波器
    9.3.1  問題描述
    9.3.2  濾波器設計思路
    9.3.3  濾波器演算法設計
    9.3.4  演算法收斂性證明
    9.3.5  模擬實驗及其結果分析
  9.4  單比特量子系統的狀態在線估計
    9.4.1  隨機開放量子系統的連續弱測量
    9.4.2  基於壓縮感知理論的量子態在線估計
    9.4.3  數值模擬實驗及其結果分析
  9.5  含有測量雜訊的時變數子態的在線估計演算法
    9.5.1  n比特隨機量子系統CWM作用下測量值序列和採樣矩陣的構造
    9.5.2  帶測量雜訊的在線QSE演算法推導
    9.5.3  數值對比實驗及其結果分析
  9.6  稀疏干擾與高斯雜訊下的在線量子態濾波器
    9.6.1  連續弱測量下的開放量子系統
    9.6.2  量子態在線濾波問題的描述
    9.6.3  在線量子態濾波器設計與推導
    9.6.4  數值對比實驗及其結果分析
第10章  基於神經網路的量子狀態估計
  10.1  量子態的數學與神經網路表示
    10.1.1  量子態的數學表示
    10.1.2  量子態波函數與密度矩陣的特性
    10.1.3  量子態的神經網路表示
  10.2  基於寬度神經網路的2比特量子態的估計
    10.2.1  神經網路模型的建立與訓練
    10.2.2  神經網路的訓練及驗證實驗及其結果分析
    10.2.3  混合態估計器的網路訓練和驗證

  10.3  最簡結構神經網路的量子態估計及其性能對比
    10.3.1  神經網路結構設計
    10.3.2  網路訓練用數據的生成
    10.3.3  訓練網路權值的演算法及性能指標
    10.3.4  神經網路訓練及性能對比分析
  10.4  基於受限玻爾茲曼機神經網路的n量子位純態重構
    10.4.1  RBM神經網路的結構、功能及其工作原理
    10.4.2  基於RBM的量子波函數表示
    10.4.3  RBM神經網路模型的建立與訓練
    10.4.4  RBM重構波函數的數值模擬實驗
  10.5  基於深度學習LDAMP網路的量子狀態估計
    10.5.1  基於壓縮感知的量子態密度矩陣估計
    10.5.2  DIT和DAMP演算法
    10.5.3  LDAMP和DnCNN網路的結構設計及其訓練
    10.5.4  量子態估計模擬實驗及其結果分析
第11章  基於在線估計狀態反饋的隨機開放量子系統閉環反饋控制
  11.1  單量子位基於在線估計狀態的反饋控制
    11.1.1  被控量子系統描述
    11.1.2  基於OADM的量子態在線估計
    11.1.3  QST-OADM在線估計演算法的收斂性證明
    11.1.4  隨機馬爾可夫開放量子系統狀態反饋控制場的設計
    11.1.5  數值模擬實驗及其結果分析
  11.2  n量子位基於在線估計狀態的反饋控制
    11.2.1  被控系統及其控制任務
    11.2.2  n量子位系統的狀態反饋控制設計及其收斂性證明
    11.2.3  數值模擬實驗及其性能分析
  11.3  基於在線估計狀態隨機非馬爾可夫本征態反饋控制
    11.3.1  二能級非馬爾可夫隨機量子系統數學模型的建立
    11.3.2  基於SDRE的最優非線性濾波器的設計
    11.3.3  基於李雅普諾夫方法的狀態反饋控制場的設計
    11.3.4  數值模擬實驗與性能對比
  11.4  基於在線估計狀態的隨機開放量子系統的純態開關反饋控制
    11.4.1  基於在線估計量子態的純態開關反饋控制場設計
    11.4.2  系統數值模擬實驗及其結果分析
  11.5  基於在線狀態估計的隨機開放量子系統軌跡跟蹤控制
    11.5.1  被控隨機開放量子系統模型及軌跡跟蹤目標描述
    11.5.2  量子狀態軌跡跟蹤問題分析及誤差狀態轉移問題的轉化
    11.5.3  隨機開放量子系統的量子態在線估計
    11.5.4  隨機開放量子系統的反饋跟蹤控制場設計
    11.5.5  數值模擬實驗及其結果分析
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