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与热库耦合的光学腔内三原子间的纠缠动力学

物理学报 2018年第7期67卷 34-40页

作者：邢贵超夏云杰曲阜师范大学物理工程学院山东省激光偏光与信息技术重点实验室曲阜273165

研究了与热库耦合的光学腔中三个相互作用的二能级原子间的纠缠动力学.采用拉普拉斯变换和下限共生等方法,通过数值计算,分析了原子间三体纠缠的演化以及腔场与热库间的两体纠缠演化,讨论了各耦合参数对系统纠缠演化的影响.研究结果表明... 详细信息

研究了与热库耦合的光学腔中三个相互作用的二能级原子间的纠缠动力学.采用拉普拉斯变换和下限共生等方法,通过数值计算,分析了原子间三体纠缠的演化以及腔场与热库间的两体纠缠演化,讨论了各耦合参数对系统纠缠演化的影响.研究结果表明:原子间纠缠在短时间内随着原子间耦合强度的增加而增加,随原子与腔场耦合强度的增加而减小,在长时极限下趋于一稳定值;体系的非马尔科夫性由原子与腔场的耦合强度以及热库的谱宽度共同决定,当热库与腔场为强耦合时,原子与腔场组成的系统遵循非马尔科夫动力学,此时随着热库谱宽的增加,原子系统由非马尔科夫性变为马尔科夫性,随着谱宽的继续增加,原子与腔场组成的系统遵循马尔科夫动力学,原子系统又表现出非马尔科夫性;调整腔场与热库的失谐可以有效抑制热库耗散对纠缠衰减的影响.

关键词：量子纠缠非马尔科夫效应

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量子计量的噪声机制的研究

量子计量的噪声机制的研究

作者：白凯兰州大学

学位级别：硕士

量子计量学是致力于研发利用微观系统的量子纠缠或压缩特性作为资源来实现超越经典物理允许精度的物理量测量科学,它对微磁探测、高分辨率成像和高精度位移传感等技术具有潜在的变革性影响,为从量子物理的基本原理出发发展下一代量子磁... 详细信息

量子计量学是致力于研发利用微观系统的量子纠缠或压缩特性作为资源来实现超越经典物理允许精度的物理量测量科学,它对微磁探测、高分辨率成像和高精度位移传感等技术具有潜在的变革性影响,为从量子物理的基本原理出发发展下一代量子磁强计、量子雷达、量子成像和定位系统等提供了新机制。广泛采用的量子计量方案可以分为以二能级原子此类分立变量系统作为量子探针的Ramsey干涉仪量子计量方案和以量子化光场此类连续变量系统作为量子探针的Mach-Zehnder干涉仪量子计量方案,但是微观世界普遍存在的退相干使得两类量子探针的量子相干性毫无例外地发生破坏,从而对量子计量的实现和应用造成了极大地障碍。如何在现实噪声条件下获得超高量子计量精度受到普遍关注。以前相关研究发现退相干将使Ramsey干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪两类量子计量方案的精度回到经典物理所支配的散粒噪声极限,但这些结果都是基于对量子探针退相干的波恩-马尔科夫近似描述或者唯像描述。在本论文,我们将超越这些近似,基于开放系统动力学的微观理论建立两类量子探针退相干的精确非马尔科夫动力学描述并建立计量精度的严格的标度关系,我们发现与波恩-马尔科夫近似下的结果截然不同,非马尔科夫效应可以使得噪声量子计量精度造长时极限下渐进地恢复到理想极限,我们的分析表明这种恢复得益于量子探针与其耗散环境形成的复合系统能谱中束缚态的形成。一方面,我们的结果突出了量子计量噪声的微观机制并极大地扩充了人们对量子计量方案中退相干效应的认识,另一方面,我们的结果也提供了在现实条件下实现超高精度量子计量的实验可行的调控方案,根据我们所提出的机制,人们可以利用量子库工程技术调控能谱中束缚态的形成来实现超高精度量子计量,因此我们的结果可为噪声条件下量子计量的实验实现提供理论指引。

关键词：量子计量开放量子系统非马尔科夫效应束缚态

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谱密度的量子计量研究

谱密度的量子计量研究

作者：彭桢兰州大学

学位级别：硕士

计量学是研究物理参量的高精度测量方法的学科,而任何基于经典物理的计量精度都受限于散粒噪声极限,如何突破该极限是现代精密科学技术发展的迫切需求。量子计量学是研究如何利用量子资源、量子编码和量子测量来提高计量精度的学科,研... 详细信息

计量学是研究物理参量的高精度测量方法的学科,而任何基于经典物理的计量精度都受限于散粒噪声极限,如何突破该极限是现代精密科学技术发展的迫切需求。量子计量学是研究如何利用量子资源、量子编码和量子测量来提高计量精度的学科,研究发现通过利用量子探针的量子纠缠作为资源和幺正演化作为参数编码,可以获得远超越散粒噪声极限的海森堡极限计量精度,经过近年的快速发展,量子计量学已经展示出它在下一代颠覆性技术革新中的巨大潜力。另一方面,退相干是微观系统与无穷多自由度的量子库耦合导致的量子相干性的衰减的过程,它是一切以量子相干性为资源的量子工程任务实现的主要障碍,如何认识退相干并如何控制退相干是实现量子工程任务的首要问题。由于退相干敏感地依赖于量子库的谱密度,所以对谱密度的精密测量是研究退相干的主要核心。在本文中,我们提出了一种利用二能级系统作为量子探针、与量子库耦合的二能级系统的非幺正演化作为参量编码来对量子库的谱密度进行高精度量子计量的方案。在我们的方案中,量子库既是我们要利用量子资源计量的物理对象,又会造成量子资源发生退相干,如何有效地规避退相干对量子资源的消耗并获得量子库物理参量的高精度计量是我们的主要着眼点。通过对量子探针与量子库耦合的严格的非马尔科夫动力学研究,我们发现,伴随着它们组成的复合系统能谱中出现束缚态,谱密度参数的计量误差将随编码时间的延长而递减,该结果与传统玻恩马尔科夫近似下计量误差随编码时间增大而发散的结果显著不同,说明非幺正编码时间仍然可以成为提高量子计量精度的一个控制自由度。进一步研究表明,通过利用量子探针的多体纠缠,计量精度随着探针数目的标度关系会不仅会超越经典散粒噪声极限,而且还渐进地趋于海森堡极限,我们解析地得到了该高精度量子计量实现的具体物理条件。我们的研究结果为实验上提供了通过利用量子探针的非幺正演化进行量子库谱密度高精度量子计量的物理依据,极大地丰富了传统以量子探针的幺正演化为主要编码手段的量子计量方案;同时,我们的束缚态机制揭示了量子探针长时稳态行为对量子计量的建设性作用,是传统以玻恩-马尔科夫近似为主的退相干动力学描述所无法得到的,其有利价值在于将时间作为一种计量资源引入了方案中,对提高量子计量精度提供了一个新的维度。我们得到的谱密度的高精度计量对量子工程中退相干控制具有积极的现实意义。

关键词：量子计量开放量子系统非马尔科夫效应束缚态

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与热库耦合的光学腔中原子的纠缠特性研究

与热库耦合的光学腔中原子的纠缠特性研究

作者：邢贵超曲阜师范大学

学位级别：硕士

量子纠缠是量子力学所特有的有趣现象,可以用来实现一些经典手段无法实现的任务,在量子信息、量子计算等领域中发挥着重要作用。然而,在实际操作中,量子系统与外界环境之间难免会发生相互作用,从而导致系统的纠缠特性遭到破坏。因此,研... 详细信息

量子纠缠是量子力学所特有的有趣现象,可以用来实现一些经典手段无法实现的任务,在量子信息、量子计算等领域中发挥着重要作用。然而,在实际操作中,量子系统与外界环境之间难免会发生相互作用,从而导致系统的纠缠特性遭到破坏。因此,研究不同环境中量子系统的纠缠特性进而减小甚至避免外界环境对系统纠缠的影响具有重要意义。论文以三个相互作用的二能级原子与一个同零温玻色库耦合的光学腔相互作用为模型,采用拉普拉斯变换,下限共生等方法,围绕以下两个方面进行研究:1.研究了各耦合参数对原子激发态布居的影响。通过研究原子A的激发态布居随时间的演化,讨论了改变原子间耦合强度、原子与腔场耦合强度、热库谱宽以及腔场和热库间失谐量对原子A的激发态布居的影响。研究发现:原子A的激发态布居随原子间耦合强度的增大而增大,且原子间耦合强度较大时原子激发态布居随时间的演化会出现振荡衰减的现象;随着原子与腔场耦合强度的增加,原子激发态布居会减小并且会出现振荡现象;热库谱宽较小时,受非马尔科夫效应的影响,原子激发态布居随时间的演化会出现振荡现象,随着谱宽度的增加,原子激发态布居相应增加;随着失谐量的增加,原子A的激发态布居相应增加,若腔场与热库腔为强耦合,当失谐量较大时会出现振荡衰减的现象。通过数值计算发现,激发态布居随时间的演化逐渐趋于一稳定值。2.研究了各耦合参数对系统纠缠演化的影响。通过研究三原子间的纠缠演化,腔场与热库间的纠缠演化以及两者之间的对比,讨论了改变原子间耦合强度、原子与腔场耦合强度、热库谱宽以及腔场和热库失谐量对系统的纠缠演化和系统各部分间纠缠转移的影响。研究结果显示:在短时间内,原子间纠缠随原子间耦合强度的增加而增加,随原子与腔场间耦合强度的增加而减小;原子间纠缠在长时极限下趋于一稳定值;体系的非马尔科夫性由原子与腔场的耦合强度以及热库的谱宽度共同决定,当热库与腔场为强耦合时,原子与腔场组成的系统遵循非马尔科夫动力学,原子间纠缠在演化过程中出现非马尔科夫效应,此时随着热库谱宽的增加,原子间纠缠在演化过程中出现马尔科夫效应,随着谱宽的继续增加,原子与腔场组成的系统遵循马尔科夫动力学,原子系统又出现非马尔科夫效应;调整腔场与热库的失谐可以有效抑制热库耗散对纠缠衰减的影响。

关键词：量子纠缠非马尔科夫效应量子态布居

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几类开放量子体系的退相干动力学

几类开放量子体系的退相干动力学

作者：童庆军兰州大学

学位级别：硕士

本论文主要介绍了开放系统中量子比特的退相干动力学的一些工作。我们主要研究在非马尔科夫动力学下量子系统和其所处环境形成束缚态对约化量子系统退相干行为的显著影响。我们首先研究了非马尔科夫效应对处在耗散真空环境中单量子比... 详细信息

本论文主要介绍了开放系统中量子比特的退相干动力学的一些工作。我们主要研究在非马尔科夫动力学下量子系统和其所处环境形成束缚态对约化量子系统退相干行为的显著影响。我们首先研究了非马尔科夫效应对处在耗散真空环境中单量子比特的退相干动力学的影响。我们的研究表明当环境存在记忆效应的时候,量子比特的量子相干性会在稳态中得到部分的保持。具体的,在非马尔科夫动力学下,当系统形成了束缚态,退相干可以被抑制。我们的研究结果表明通过调节系统和环境的相关参数退相干可以被抑制,实验上这可以通过库工程来实现。其次,我们研究了分别处于在不同真空库场下双量子比特的纠缠动力学行为,并发现在非马尔科夫动力学下纠缠同样可以得到部分保持。研究结果表明形成束缚态和非马尔科夫效应是纠缠保留的两个关键因素。这两种因素的相互影响使得剩余纠缠在稳态中得以长久保留。一方面,当非马尔科夫效应被忽略时,纠缠动力学可能出现突然死亡的现象(ESD);另一方面,当非马尔科夫效应很强而束缚态又没有形成时,ESD和纠缠恢复的现象将会出现。我们第一次明确地提出了纠缠保留机制,我们的研究在量子信息处理中有着重要的应用。最后,为了对纠缠动力学有一个彻底的了解,我们研究了分别处于不同真空环境下的双量子比特的纠缠在各个双体子系统中的分布情况。具体的,我们所研究的双体子系统包括量子比特之间、环境之间以及环境和量子比特组成的双体子系统。以前研究结果表明在马尔科夫近似下,纠缠会从量子比特系统内完全转移到环境之中。与此不同,我们发现当放弃该近似后,纠缠会稳定地分布在各个双体子系统中,而且我们还发现了一个不变量。这个不变量最初是由Yonac等人[J. Phys. B40,S45(2007)]在没有退相干的：双J-C模型中提出。尽管纠缠分布与具体的模型甚至是所采用的近似有关,但是我们发现,这个不变量始终存在。很多文献中的结果可以看成是我们的研究结果中的特例。我们的结果揭示了纠缠的深刻性质,也将在量子信息处理中有着重要的作用。本论文对在不同近似下的退相干动力学给出了清晰的图像并对如何保持量子相干性有一定的帮助。

关键词：开放系统量子比特退相干动力学非马尔科夫效应纠缠动力学