随机开放量子系统的纯态开关反馈控制EI北大核心CSCD

针对目标态为纯态的情况,本文对有限维随机开放量子系统,提出一种同时适用于本征态和叠加态的开关控制,它是由常量控制和基于李雅普诺夫方法设计的控制律组成,实现随机开放量子系统的状态转移和收敛控制,其中,李雅普诺夫函数为系统的状态距离,常量控制用来驱动系统状态从初始状态进入含有目标态的收敛域中,李雅普诺夫控制用来使进入收敛域中的状态继续收敛到期望的目标态.将所提出的控制方法,应用于2比特随机开放量子系统进行了数值仿真实验,并与本征态开关控制律方法进行了性能对比,实验结果表明了所提出的控制律的优越性.     

一种基于广义期望首达时间的形状距离学习算法

形状距离学习是形状匹配框架中引入的后处理步骤, 能够有效改善逐对计算得到的形状间距离.利用期望首达时间分析形状间相似度可能导致距离更新不准确, 针对这一问题提出了一种基于广义期望首达时间 (Generalized mean first-passage time, GMFPT) 的形状距离学习方法.将形状样本集合视作状态空间, 广义期望首达时间表示质点由一个状态转移至指定状态集合所需的平均时间步长, 本文将其视作更新后的形状间距离.通过引入广义期望首达时间, 形状距离学习方法能够有效地分析上下文相关的形状相似度, 显式地挖掘样本空间流形中的最短路径, 并消除冗余上下文形状信息的影响.将所提出的方法应用到不同形状数据集中进行仿真实验, 本文方法比其他方法能够得到更准确的形状检索结果.     

基于李雅普诺夫量子系统控制方法的状态调控

从多方面对基于李雅普诺夫的量子系统控制方法进行了系统深入地研究, 包括该方法与最优控制的关系; 李雅普诺夫函数与性能指标之间的关系; 几种常用李雅普诺夫函数下的控制所能解决的问题, 适用范围和所存在的问题等. 在此基础上, 结合量子系统本身所具有的特点, 分别针对本征态, 叠加态和混合态的制备与调控目标, 总结出多种不同控制问题的改进方案. 对不同改进方案的设计思想, 所能解决的问题, 物理意义及其适用范围等进行剖析, 系统化了一套基于李雅普诺夫稳定性理论对量子系统进行状态调控的设计方法.     

Non-Markovian开放量子系统的特性分析与状态转移

针对时间无卷积的二能级Non-Markovian开放量子系统, 分别研究了环境截断频率、耦合系数和系统振荡频率对系统衰减系数、相干性和纯度的影响, 并根据不同数值对系统性能影响的分析结果来确定合适的系统仿真实验的参数; 基于李雅普诺夫稳定性定理设计了用于系统状态转移的控制场; 在Matlab环境下进行了系统数值仿真实验,研究了Non-Markovian系统自由演化轨迹的特性, 以及在所设计的控制器作用下纯态到纯态的状态转移,并通过性能对比实验, 验证了所提出的量子李雅普诺夫控制方法应用于Non-Markovian系统状态转移的有效性, 同时分析了控制参数、截断频率参数对控制系统性能的影响.     

基于期望首达时间的形状距离学习算法

由于逐对形状匹配不能很好地反映形状间相似度,因此需要引入后期处理步骤提升检索精度. 为了得到上下文敏感的形状相似度,本文提出了一种基于期望首达时间（Mean first-passage time,MFPT）的形状距离学习方法. 在利用标准形状匹配方法得到距离矩阵的基础上,建立离散时间马尔可夫链对形状流形结构进行分析.将形状样本视作状态,利用不同状态之间完成一次状态转移的平均时间步长,即期望首达时间,表示形状间的距离.期望首达时间能够结合测地距离发掘空间流形结构,并可以通过线性方程进行有效求解.分别对不同数据进行实验分析,本文所提出的方法在相同条件下能够达到更高的形状检索精度.     

给定环境下稳定开放量子系统的哈密顿量方法

针对耗散已知情况下Lindblad主方程描述的开放量子系统,本文通过哈密顿量的设计实现了系统对于目标平衡态的稳定化.借助相干矢量体系,将矩阵形式下的原始系统模型转换为了一个矢量形式的线性系统,并证明了变换前后系统稳定属性的等价性.通过保证矢量化线性系统模型的稳定性,并使系统的唯一平衡态等于期望的目标态,得到了系统哈密顿量的设计框架.特别地,本文讨论了这两类条件下系统哈密顿量各元素的范围,并指出根据它们的交集即可构成所设计的系统哈密顿量.最后,在一个两能级系统上进行了数值仿真实验,验证了本文哈密顿量稳定化方案的有效性.     

绝热量子搜索算法中的纠缠与能量分析

为了进一步研究量子纠缠与量子计算速度及能量的关系,通过计算von Neumann纠缠熵,分析了时间复杂度分别为O(N )和O(1)的绝热量子搜索算法的量子纠缠度随时间的变化关系,并对两者进行了比较.实验结果表明,量子纠缠对绝热量子计算的运行时间具有明显的影响,较大的纠缠可以导致更短的运行时间,反之亦然.同时对纠缠与能量的关系给出了一般性解释,即注入能量导致系统的纠缠增大,并因此缩短算法的运行时间.此外还分析了纠缠与量子系统初态的关系.实验表明系统初态形式不同,其纠缠度也不一样.初态为等幅叠加态的算法涉及的纠缠度明显大于初态为非等幅叠加态的算法.     

量子传感器

量子系统状态的检测与经典控制中的检测技术有着显著区别,它需要量子传感器来完成.量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置.在讨论了量子态测量问题的基础上,对量子传感器的概念进行了系统阐述,介绍了超导量子干涉装置(SQUID)传感器和量子霍尔传感器,从非破坏性、实时性、灵敏性、稳定性和多功能性等方面分析了量子传感器的性能要求.     

类间学习神经网络的人脸表情识别*

针对目前表情识别类间信息无关状态,提出了一种表情类间学习的神经网络分类识别算法。该算法首先构建一个BP网络学习对和一个距离判据单元,该距离判据单元仅用来计算类间的实际距离,类间期望距离是根据大量实验结果获得的;然后通过类内实际输出和类间期望距离来修正该网络;最后给出一组实例样本进行表情分类识别。实验结果表明,该算法能有效地识别人脸表情,能紧密地将各类表情间的信息联系起来,效率和准确性均有明显提高。     

理想情况下混合态量子系统的Lyapunov控制策略

本文在假定被控系统具有理想条件的前提下,研究了带有附加自由度的Lyapunov方法在混合态量子系统中的应用问题.基于LaSalle不变原理,我们推导出了控制场作用下系统的最大不变集、以及始于任一初始态的系统轨线的收敛状态集,给出了系统对于最大不变集中任一目标态渐近稳定化的、自由度的构造原则.为了清晰阐述自由度的构造原则,我们在一个两能级的量子系统上进行了数值仿真实验,仿真结果同时也表明了本文所得理论结果的合理性.     

Global stabilization control of stochastic quantum systems随机量子系统的全局稳定控制

The global stabilization control of arbitrary eigenstates for finite dimensional stochastic quantum systems with non-diagonal free Hamiltonian and non-regular measurement operator is studied in this paper. We propose a switching feedback control law, in which a constant control is used to steer the system state to a convergence domain, and another control law designed based on Lyapunov stability theorem, is used to attract the states in the convergence domain to the desired target state. The convergence to an arbitrary target eigenstate from any initial state is strictly proved. Moreover, numerical simulation experiments on a three-dimensional stochastic quantum system are implemented to demonstrate the effectiveness of the proposed control.     

时延MPC自主车辆协同控制算法与仿真

协同自适应巡航控制（CACC）系统中车辆纵向运动的上下位分层控制器结构,上位控制器采用状态空间模型预测控制算法,利用期望距离以及车辆与环境的实时信息决策出被控车辆运动的期望加速度。下位控制器根据期望加速度,求解发动机节气门开度或制动压力。车辆的执行器时延会对系统的稳定性产生很大的影响。根据动态矩阵控制算法对纯滞后对象的补偿作用,提出一种改进的模型预测控制算法,并与PID控制算法（下位控制器）相结合形成自主车辆纵向运动的上下位分层控制器,以补偿车辆的执行器时延带来的影响。通过SIMULINK/CARSIM联合仿真平台对所设计的算法进行了仿真研究,仿真结果表明所设计算法减小了CACC系统车辆在跟随过程中的速度跟踪误差以及间距误差,提高了系统的稳定性法。     

多机器人主—从行星式编队控制

研究了二阶积分器描述的多机器人主—从行星式编队控制问题,提出了将多机器人编队分解为每个机器人对各自具有时变速度的虚拟机器人的跟踪控制,使得每个机器人相对于虚拟机器人的位置与速度跟踪误差收敛为零且彼此不相碰撞,此时编队系统收敛到理想队形.在统一的算法框架下,分别实现了跟随者以领航者为中心的公转运动编队(revolution formation,RF)模式和跟随者与领航者保持期望距离、期望速度的编队(desiredformation,DF)模式.公转运动编队(RF)模式适用于异构多机器人系统的环境探索任务;保持期望距离、期望速度的编队(DF)模式适用于自主水下机器人(AUV)、无人机(UAV)等合作与协调任务.应用李亚普诺夫稳定性理论对控制算法的稳定性进行了分析,并通过计算机仿真验证了该方法的有效性.     

Preparation of Hadamard Gate for Open Quantum Systems by the Lyapunov Control Method

In this paper, the control laws based on the Lyapunov stability theorem are designed for a two-level open quantum system to prepare the Hadamard gate, which is an important basic gate for the quantum computers. First, the density matrix interested in quantum system is transferred to vector formation. Then, in order to obtain a controller with higher accuracy and faster convergence rate, a Lyapunov function based on the matrix logarithm function is designed. After that, a procedure for the controller design is derived based on the Lyapunov stability theorem. Finally, the numerical simulation experiments for an amplitude damping Markovian open quantum system are performed to prepare the desired quantum gate. The simulation results show that the preparation of Hadamard gate based on the proposed control laws can achieve the fidelity up to 0.9985 for the different coupling strengths.      

Generalized control of quantum systems in the frame of vector treatment

For the state control problem in finite-dimensional quantum systems with any initial state and a goal eigenstate, this paper studies the design method of control laws via the Lyapunov technology and in the vector frame, which ensures the convergence of any initial state toward the goal state. The stability of the closed-loop system in the goal eigenstate is analyzed and proven via the invariance principle. The simulation experiment on a spin-1/2 system shows the effectiveness of the designed control laws.     

Sliding mode control of two-level quantum systems

This paper proposes a robust control method based on sliding mode design for two-level quantum systems with bounded uncertainties. An eigenstate of the two-level quantum system is identified as a sliding mode. The objective is to design a control law to steer the system’s state into the sliding mode domain and then maintain it in that domain when bounded uncertainties exist in the system Hamiltonian. We propose a controller design method using the Lyapunov methodology and periodic projective measurements. In particular, we give conditions for designing such a control law, which can guarantee the desired robustness in the presence of the uncertainties. The sliding mode control method has potential applications to quantum information processing with uncertainties.     

一种基于有限时间稳定的环绕控制器设计

针对单无人机对单目标的环航跟踪问题,设计了一个能保证无人机在速度有界条件下,飞行轨迹快速收敛到期望航迹的控制器.1）根据无人机运动特性,设计了一个考虑目标运动状态的控制方案,并利用Lyapunov稳定性定理给出了系统渐近稳定的充分条件.2）结合饱和控制和有限时间控制,得到使无人机相对目标距离在有限时间内收敛到期望值的充分条件.3）用数值算例比较验证了所提控制器的有效性.