退相干环境中量子信息与量子相变的研究

发布时间：2017-12-24 07:03

本文关键词：退相干环境中量子信息与量子相变的研究　出处：《浙江大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：量子信息学是量子力学与信息科学相结合发展起来的一门交叉的新兴学科。在最近十余年间,量子信息在理论和实验上均取得了巨大的发展与成就,量子信息不仅为传统的信息科学注入了新的活力,而且为物理学的其他分支,比如光学,原子分子物理学以及凝聚态物理学提供了新的研究思路与方法。量子系统的相干性与非经典关联是实现许多量子信息任务的保证,然而,由于外在环境噪声的影响,量子相干性与量子关联会遭到破坏,这是实际制造量子信息设备的主要障碍之一。因此,研究退相干环境中量子相干性与量子关联的动力学行为显得非常必要,同时,如何阻止与减小环境噪声对量子系统的影响也成为一项非常重要的工作。另一方面,量子相变一直是凝聚态物理中的研究热点,量子相变发生在绝对零度或者极低温度,完全由量子涨落驱动。量子相交的存在强烈地影响多体系统在临界区域附近的物理行为,一般而言,在量子相变点,多体系统的关联长度会发散,激发谱的能隙会消失。传统研究量子相变的办法主要集中在对序参量的寻找与对称破却形式的研究。但是最近几年,许多量子信息中的概念,比如保真度,迹距离以及量子关联被应用到量子相变的研究中,并取得了很多重要的结果。在本文中,我们研究了几种退相干环境中的量子相干性,量子关联以及量子相变。首先,在有限温度下,研究了一个自旋-玻色模型中量子相干性与量子关联的动力学行为,解析地求解了这个自旋-玻色模型中量子比特子系统的约化密度算符,发现反旋转波项在低温区间总是倾向于减小退相干速率的值,这对保持量子比特的相干性是有利的。在高温区间,这一结论在欧姆与超欧姆环境依然成立,但是在亚欧姆环境,反旋转波项反而会增加退相干速率的值。接着研究了一个裸露的量子比特与一个隧穿强度为零的自旋-玻色系统之间的几何量子谐错,发现几何量子谐错会出现一个双突然转变现象,并提出了利用退耦合脉冲延长双突然转变现象中几何量子谐错保持不变时间的方案。还研究了由两个全同的自旋-玻色模型构成的两量子比特系统的量子关联动力学,我们发现当弱耦合强度较小时,采用旋转波近似与不采用旋转波近似得出的结果一致,当耦合强度增大时,采用旋转波近似与不采用旋转波近似得出的结果差距较大,这说明旋转波近似仅在弱耦合情况下成立,不适用于强耦合的情况。此外还研究了一个光子晶体系统中多体纠缠的动力学行为,发现在某一些初始条件下,三体纠缠会最终演化为一个稳态纠缠,而四体纠缠会发生双突然改变的现象。这说明光子晶体环境并没有完全破坏多体纠缠,反而诱导出了冷冻的多体纠缠。最后研究了一个腔玻色-爱因斯坦凝聚系统中的量子相交,发现探测原子的Berry相与Fisher信息可以有效地揭示腔玻色-爱因斯坦凝聚系统中的类Dicke模型相变,还发现此腔玻色-爱因斯坦凝聚系统中的两个探测原子之间的量子关联也会表现出双突然转变现象,并且这个双突然转变现象与腔玻色-爱因斯坦凝聚系统的量子相变有着紧密的关系。提出了利用含时电磁场来延长双突然转变现象中几何量子谐错保持不变的时间的方案。另一方面,研究了一个由中心自旋与一维compass自旋链环境构成的自旋环境系统中Loschmidt回声与compass自旋链环境的量子相变之间的关系,发现Loschmidt回声及其统计分布可以用于揭示低温时compass自旋链环境的量子相变,然而随着温度的升高,Loschmidt回声的这种特性消失了,为了弥补这种缺陷,利用一种对|中心自旋进行翻转操作的方案来揭示高温时compass自旋链环境的量子相变。发现自旋翻转后的回声及其统计分布分布可以刻画高温时compass自旋链环境的量子相变。还发现中心自旋的Berry相也可以用于揭示compass自旋链环境的量子相变,并且在临界点附近,Berry相服从一些普适的指数型标度律。此外还提出了一种利用重整化的迹距离与多体纠缠来揭示自旋链系统的量子相变的方法,作为例子,研究了一维XY自旋链,一维XXZ自旋链以及二维XY自旋链中的量子相变,发现在热力学极限下,重整化的迹距离与多体纠缠的一阶导数在量子相变点会变得不连续。并发现重整化的迹距离与多体纠缠在量子临界区域也服从一些普适的指数型标度律。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O413

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