量子绝热定理是量子力学中最重要的结论之一,并在量子理论和量子信息科学技术中有广泛的应用。然而,在现实中由于量子绝热过程是一个慢过程,量子退相干或者环境噪声等因素将影响量子绝热计算或者操控的结果。为此,人们努力寻找加快量子绝热过程并获得与绝热过程相同效果的方法。本论文利用量子不变量反控制方法研究包括原子冷却、转移及布居数转移等一系列量子态的超快非绝热操控,并针对环境噪声和系统误差进行最优化设计。取得成果如下：一、研究二能级系统中快速且稳定的布居数反转。结合量子不变量反控制技术和含时微扰理论,针对相位噪声和系统频率误差得到了稳定的最优化方案。其中,在频率受限情况下,常数π脉冲是对于相位噪声的最优化方案。并将上述方法推广应用于三能级体系,在考虑失谐误差和拉比频率误差的情况下,得到布居数转移的最优化方案。二、研究非简谐微扰对于高斯囚禁势中原子无摩擦冷却的影响。结合量子不变量反控制方法、含时微扰理论和最优化理论,得到高斯型囚禁势中原子冷却的最优化方案。研究发现,Bang-Singular-Bang控制方法是对于非简谐微扰具有最佳鲁棒性的方案,并且对应非谐振势的平均能量最小三、研究不同噪声和误差影响下谐振势阱中囚禁离子的输运问题。对于单个囚禁离子输运,重点研究白噪声的影响,得到最优化方案的解析解,这对研究彩色噪声具有重要的参考价值。对于两个不同质量的囚禁离子的输运,则利用动力学正态模简谐近似方法,并结合量子不变量反控制方法得到关于弹簧常数误差的三角余弦最优化方案。