量子关联的简易度量及其与量子纠缠的比较

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量子力学是二十世纪创立并发展起来的物理学新兴领域,具有划时代的科学意义。经过一百年来的发展,它的理论得到进一步完善,其应用价值也受到越来越多的关注,并一步步扩展到化学、生物学、材料科学等其它科学领域。量子学科的蓬勃发展也直接导致了量子信息学的产生。量子信息学是量子力学和信息科学相互交叉的新兴学科。近些年,量子信息学已逐渐从理论走向实验,其最终的目标是实现实用化。随着人们的深入研究,科学家们发现,量子信息的重要资源不仅仅体现在量子纠缠身上,量子关联也可以在其中发挥重要作用。本论文提出了量子关联的一种新的简易度量方法,并且将其度量结果与量子纠缠度量进行比较。为了度量一个两体态的量子关联,我们首先利用密度矩阵各个子块之间的对易结果构成一个测试矩阵。如果原量子态的量子关联为零,那么它所对应的测试矩阵应该为零矩阵。反过来说,如果我们得到的测试矩阵并非零矩阵,说明原量子态的量子关联为一个非零正值。而这个测试矩阵的Frobenius范数满足量子关联度量的基本条件,正好能够用来度量这个量子态的量子关联。作为实例,我们用该度量方法分别度量了简单的两体纯态、Werner态以及高维两体系统量子态的量子关联。其次,我们将这个度量方法与量子纠缠度量的结果进行了比较。我们发现,两体纯态的量子关联与其量子纠缠concurrence的计算结果是一致的。对两体Werner态,其concurrence值随着参数p的变化函数出现了突变,而Werner态的量子关联却不存在随参数p的突变情况。同时,我们也验证了另一个重要结论:可分离态也可能存在量子关联。最后,我们研究了一个32?维和33?维的量子态的量子关联,并与其量子纠缠Negativity值进行了比较。高维系统的量子纠缠的计算,其计算量明显指数增加,而高维系统的量子关联的计算依然很简单,甚至可以摆脱对计算机的依赖。本文提出的度量方法中没有涉及任何优化过程,它能够简洁地计算出一个两体量子态的量子关联,并且符合量子态量子关联的所有基本要求,是一个可靠的度量方法。
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