本文關(guān)鍵詞：退相干環(huán)境中量子信息與量子相變的研究　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：量子信息學(xué)是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合發(fā)展起來的一門交叉的新興學(xué)科。在最近十余年間,量子信息在理論和實(shí)驗(yàn)上均取得了巨大的發(fā)展與成就,量子信息不僅為傳統(tǒng)的信息科學(xué)注入了新的活力,而且為物理學(xué)的其他分支,比如光學(xué),原子分子物理學(xué)以及凝聚態(tài)物理學(xué)提供了新的研究思路與方法。量子系統(tǒng)的相干性與非經(jīng)典關(guān)聯(lián)是實(shí)現(xiàn)許多量子信息任務(wù)的保證,然而,由于外在環(huán)境噪聲的影響,量子相干性與量子關(guān)聯(lián)會(huì)遭到破壞,這是實(shí)際制造量子信息設(shè)備的主要障礙之一。因此,研究退相干環(huán)境中量子相干性與量子關(guān)聯(lián)的動(dòng)力學(xué)行為顯得非常必要,同時(shí),如何阻止與減小環(huán)境噪聲對量子系統(tǒng)的影響也成為一項(xiàng)非常重要的工作。另一方面,量子相變一直是凝聚態(tài)物理中的研究熱點(diǎn),量子相變發(fā)生在絕對零度或者極低溫度,完全由量子漲落驅(qū)動(dòng)。量子相交的存在強(qiáng)烈地影響多體系統(tǒng)在臨界區(qū)域附近的物理行為,一般而言,在量子相變點(diǎn),多體系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)長度會(huì)發(fā)散,激發(fā)譜的能隙會(huì)消失。傳統(tǒng)研究量子相變的辦法主要集中在對序參量的尋找與對稱破卻形式的研究。但是最近幾年,許多量子信息中的概念,比如保真度,跡距離以及量子關(guān)聯(lián)被應(yīng)用到量子相變的研究中,并取得了很多重要的結(jié)果。在本文中,我們研究了幾種退相干環(huán)境中的量子相干性,量子關(guān)聯(lián)以及量子相變。首先,在有限溫度下,研究了一個(gè)自旋-玻色模型中量子相干性與量子關(guān)聯(lián)的動(dòng)力學(xué)行為,解析地求解了這個(gè)自旋-玻色模型中量子比特子系統(tǒng)的約化密度算符,發(fā)現(xiàn)反旋轉(zhuǎn)波項(xiàng)在低溫區(qū)間總是傾向于減小退相干速率的值,這對保持量子比特的相干性是有利的。在高溫區(qū)間,這一結(jié)論在歐姆與超歐姆環(huán)境依然成立,但是在亞歐姆環(huán)境,反旋轉(zhuǎn)波項(xiàng)反而會(huì)增加退相干速率的值。接著研究了一個(gè)裸露的量子比特與一個(gè)隧穿強(qiáng)度為零的自旋-玻色系統(tǒng)之間的幾何量子諧錯(cuò),發(fā)現(xiàn)幾何量子諧錯(cuò)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)雙突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,并提出了利用退耦合脈沖延長雙突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象中幾何量子諧錯(cuò)保持不變時(shí)間的方案。還研究了由兩個(gè)全同的自旋-玻色模型構(gòu)成的兩量子比特系統(tǒng)的量子關(guān)聯(lián)動(dòng)力學(xué),我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)弱耦合強(qiáng)度較小時(shí),采用旋轉(zhuǎn)波近似與不采用旋轉(zhuǎn)波近似得出的結(jié)果一致,當(dāng)耦合強(qiáng)度增大時(shí),采用旋轉(zhuǎn)波近似與不采用旋轉(zhuǎn)波近似得出的結(jié)果差距較大,這說明旋轉(zhuǎn)波近似僅在弱耦合情況下成立,不適用于強(qiáng)耦合的情況。此外還研究了一個(gè)光子晶體系統(tǒng)中多體糾纏的動(dòng)力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)在某一些初始條件下,三體糾纏會(huì)最終演化為一個(gè)穩(wěn)態(tài)糾纏,而四體糾纏會(huì)發(fā)生雙突然改變的現(xiàn)象。這說明光子晶體環(huán)境并沒有完全破壞多體糾纏,反而誘導(dǎo)出了冷凍的多體糾纏。最后研究了一個(gè)腔玻色-愛因斯坦凝聚系統(tǒng)中的量子相交,發(fā)現(xiàn)探測原子的Berry相與Fisher信息可以有效地揭示腔玻色-愛因斯坦凝聚系統(tǒng)中的類Dicke模型相變,還發(fā)現(xiàn)此腔玻色-愛因斯坦凝聚系統(tǒng)中的兩個(gè)探測原子之間的量子關(guān)聯(lián)也會(huì)表現(xiàn)出雙突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,并且這個(gè)雙突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象與腔玻色-愛因斯坦凝聚系統(tǒng)的量子相變有著緊密的關(guān)系。提出了利用含時(shí)電磁場來延長雙突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象中幾何量子諧錯(cuò)保持不變的時(shí)間的方案。另一方面,研究了一個(gè)由中心自旋與一維compass自旋鏈環(huán)境構(gòu)成的自旋環(huán)境系統(tǒng)中Loschmidt回聲與compass自旋鏈環(huán)境的量子相變之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)Loschmidt回聲及其統(tǒng)計(jì)分布可以用于揭示低溫時(shí)compass自旋鏈環(huán)境的量子相變,然而隨著溫度的升高,Loschmidt回聲的這種特性消失了,為了彌補(bǔ)這種缺陷,利用一種對|中心自旋進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作的方案來揭示高溫時(shí)compass自旋鏈環(huán)境的量子相變。發(fā)現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)后的回聲及其統(tǒng)計(jì)分布分布可以刻畫高溫時(shí)compass自旋鏈環(huán)境的量子相變。還發(fā)現(xiàn)中心自旋的Berry相也可以用于揭示compass自旋鏈環(huán)境的量子相變,并且在臨界點(diǎn)附近,Berry相服從一些普適的指數(shù)型標(biāo)度律。此外還提出了一種利用重整化的跡距離與多體糾纏來揭示自旋鏈系統(tǒng)的量子相變的方法,作為例子,研究了一維XY自旋鏈,一維XXZ自旋鏈以及二維XY自旋鏈中的量子相變,發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)極限下,重整化的跡距離與多體糾纏的一階導(dǎo)數(shù)在量子相變點(diǎn)會(huì)變得不連續(xù)。并發(fā)現(xiàn)重整化的跡距離與多體糾纏在量子臨界區(qū)域也服從一些普適的指數(shù)型標(biāo)度律。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O413

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