开放系统中量子关联动力学研究

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量子关联是量子信息处理和量子通信任务的重要资源。然而,任意的开放量子系统都不可避免地与周围的噪声环境发生耦合作用而导致系统的量子关联迅速衰减甚至猝死,即量子退相干现象。因此,研究开放系统中量子退相干及关联动力学行为、探索噪声环境的特征及噪声带来的影响对推动量子信息的应用具有深远的意义。本文针对开放系统中量子关联的复活性、鲁棒性及信息流动进行了相关的研究;基于量子弱测量和翻转测量,提出了开放系统中量子失谐的增强方案和局域噪声环境中的纠缠纯化方案,并取得了以下研究成果:(1)研究了双边量子系统中的单个量子位与局域非马尔科夫(non-Markovian)环境相耦合的系统关联动力学行为及其纠缠分配的情况。结果表明:量子系统与环境的耦合可以引起纠缠阻尼衰减和复活,而系统的纠缠最终趋于一个定值。此外,通过分析复合系统中量子关联的分配和信息的流动,揭示了纠缠复活行为内在的non-Markovian机制。为了定量地描述系统中信息的流动情况,我们研究了真实的三体关联v(ρABE)、最大的双边量子互信息Imax(ρij)和局域单体信息Iloc(ρi)随时间变化的导数,并且给出了这三者之间明确的动态关系,这将给non-Markovian机制提供一个新的见解。(2)探讨了局域噪声信道中Bures distance失谐的复活现象和对抗环境的鲁棒性,并和共生纠缠进行了比较。结果表明:两粒子Bell对角态与局域噪声信道发生相互作用时,噪声强度增加到一定程度将会摧毁系统的量子关联。特别是,去极化信道中的Bures distance失谐在消失后会复活,而纠缠直接衰减到死亡。另一方面,杂化信道中下降的初始条件能使Bures distance失谐在有限时间内衰减得更平稳,但会加速纠缠的死亡。在这个意义上,Bures distance失谐在对抗噪声环境方面比纠缠更具有鲁棒性。此外,当特定初始态遭受不同的杂化信道时,环境的转换对纠缠的演化没有任何影响,却导致Bures distance失谐出现一些奇异的现象,即当比特翻转错误和比特相位翻转错误以相同的概率发生时Bures distance失谐的演化轨迹是一致的。最后,为了更好地了解这些现象,我们给出了 Bell对角态的几何解释。(3)研究了两比特分离量子态与局域噪声环境相互作用时量子失谐的生成情况,并基于量子弱测量和翻转测量提出了一系列可行的方案来提高失谐的强度。数值模拟表明,我们的增强方案可以有效地提高量子失谐的大小,这主要是由于量子操作改变了量子态中基态和激发态的比重,从而影响了量子态的相干性。此外,我们可以获得所有方案对应的量子失谐的解析表达式,并探索了成功概率和测量强度之间的权衡关系。(4)基于量子弱测量,我们提出了一系列纯化局域噪声环境中两比特纠缠的理论方案。结果表明:只要测量强度和态参数满足一定条件时,任意初始态都可以直接纯化为最大纠缠态。此外,所有方案的成功概率不仅取决于测量强度,而且与初始态存在密切的联系。
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