对量子系统的精确调控是许多重要量子技术应用如量子计算、量子逻辑门设计、量子信息处理等的前提条件。这些先进的量子技术对控制精度提出了近乎苛刻的要求。由于量子计算机一般要求保真度应达到99.99%,它对目前的量子控制研究提出了巨大的挑战。其难度在于现实中的量子系统都是开放的,都会受到系统与环境耦合的影响。这些因素引起量子退相干现象和降低操作量子比特的保真度。因此量子纠错以及对噪声环境下的量子动力学研究是非常有现实意义,其对以量子计算为代表的量子技术之大规模应用至关重要。本文研究的是噪声环境下的量子控制问题,以如何提高量子控制操作的保真度为目标。首先从单个量子比特的控制理论出发,以两能级系统哈密顿量为起点,得到描述量子比特运动的经典的布洛赫方程。根据Kubo-Einstein涨落耗散定理引入了环境噪声的影响,从而得到经典形式的完整量子控制问题的运动方程。接下来从完全量子力学的角度出发,以Caldeira-Leggett模型哈密顿量为起点,使用相干态路径积分方法重新推导出量子运动方程。同时使用FeymannVernon影响泛函方法,将环境的影响包含其中,并且提出了一个有效场约化方案和纯态截断近似方法。使用有效场约化方案可以得到约化密度矩阵的量子Langevin方程,并概述了如何消除由于环境耦合所引起的不可避免的绝热自陷。最终验证了经典形式的量子推导。基于二维球面上的经典路径可以完全描述单个量子比特运动这一特性,本文展示了一个使用梯度下降算法的变分优化方案,可用于提高量子控制操作的保真度。以欧姆热库为例,本文详细展示了该优化方案的操作步骤及具体的数值结果。发现在高温极限下,影响保真度的主要因素是热涨落,而在零温极限下,非马尔可夫的量子耗散也具有明显贡献。数值计算的结果证明了该方案的可用性。综上,本文展示了一个新的量子控制理论框架。其可用于分析和最小化环境耦合的影响,为实现高保真的量子门提供理论方向。该框架具有通用性,有望得到实验验证。