开放量子系统动力学及束缚态研究

发布时间：2017-04-06 07:05

  本文关键词：开放量子系统动力学及束缚态研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微观系统不可避免地受到其背景环境的影响而成为一个开放量子系统,它所诱导出的退相干问题是导致宏观物质的经典现象完全不同于量子理论描述结果的主要原因、是量子理论持续不断的各种争论的主要核心、是阻碍量子信息处理实现的主要瓶颈。探索开放量子系统的退相干效应对相关量子态调控与量子信息处理实现的破坏作用及其有效的抑制策略是近年来量子调控研究的核心问题。在本文中,我们提出从量子系统与其环境形成的复合系统的能谱特性角度来理解开放系统退相干动力学的研究方法。我们发现伴随着复合系统一个局域化的束缚态的形成,系统的退相干将表现出定性的不同。我们将从开放量子系统中常见模型出发,通过理论推导并结合数值计算来揭示退相干不同性质与束缚态形成之间的联系。首先,我们将研究亚欧姆谱密度下的自旋-玻色模型。我们发现在旋转波近似下,系统的退相干将表现出随着其与环境耦合强度增强而趋于减缓甚至抑制的反常退相干行为；进一步对复合系统能谱特性的研究表明该反常退相干是复合系统束缚态的形成所导致的量子相变的动力学表现。其次,我们将这一结果推广至无旋转波近似情形。利用基于幺正变换的微扰近似方法,我们发现此时束缚态仍然可以形成,其形成所导致的与传统退局域化-局域化量子相变完全不同的新型量子相变将使得二能级系统的动力学表现出与旋转波近似下结果类似的反常退相干行为,该行为与以往在自旋-玻色模型中相干性-非相干性动力学转变的结果是相容的。该结果所揭示的自旋-玻色模型中新型量子相变的存在极大地丰富了我们对该模型的认识。其次,我们将研究扩展的非均匀Dicke模型。该模型描述了N个具有不同频率展宽的二能级原子与单模腔场非均匀地相互作用的系统。我们对腔场动力学的研究发现：随着系统非均匀参数的改变,其非平衡动力学表现出从单调衰减至零到振荡衰减至有限确定值再到无衰减振荡的定性不同的动力学行为,进一步的研究表明这些动力学行为分别对应于复合系统能谱中无束缚态、形成一个和两个束缚态。研究还表明束缚态的形成还可导致基态表现出超辐射特性,即发生超辐射量子相变。最后,我们按照该束缚态判据提出一种定量预测长时稳定行为的方法,其结果与数值模拟符合得很好。该结果提供了一种通过操控Dicke模型的非均匀性来实现超辐射量子相变及其不同动力学特性的调控方案。最后,我们将研究耗散J-C模型中的量子速度极限时间以及非马尔科夫度。量子速度极限刻画了微观系统在外界扰动下从某初态演化至某一确定态的最快的时间尺度。以前的研究表明：开放量子系统的非马尔可夫效应是导致量子加速的原因。我们发现复合系统束缚态的形成才是导致开放系统具有非马尔可夫效应和更小量子速度极限时间的物理原因。我们还提出了一种在电路量子电动力学中验证我们预测的实验方案。该结果揭示了从复合系统能谱特性角度来刻画量子加速的物理机制,是对现有相关方向研究方法与研究结果的极大丰富。在本论文的研究中我们得到不少有趣的结论,我们期望这些结论对认识和理解开放系统中的退相干动力学有一定的帮助。
【关键词】：开放量子系统 束缚态 动力学
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-18
• 第二章 自旋-玻色模型中的量子相变及反常退相干18-32
• 2.1 简介18-19
• 2.2 旋转波近似下耗散二能级系统的反常退相干19-25
• 2.2.1 自旋-玻色模型19-21
• 2.2.2 退相干动力学21
• 2.2.3 旋转波近似下的量子相变21-25
• 2.3 无旋转波近似下耗散二能级系统的反常退相干25-30
• 2.3.1 退局域化-局域化量子相变25-26
• 2.3.2 退局域相中的反常退相干26-28
• 2.3.3 无旋转波近似下的量子相变28-30
• 2.4 小结30-32
• 第三章 非均匀Dicke模型中的量子相变及动力学32-50
• 3.1 简介32-33
• 3.2 标准Dicke模型中的相变33-39
• 3.2.1 标准Dicke模型中的经典相变34-35
• 3.2.2 标准Dicke模型中的量子相变35-39
• 3.3 非均匀Dicke模型的超辐射相变39-43
• 3.4 动力学结果及其稳定行为预测43-48
• 3.4.1 非均匀Dicke模型中的动力学结果43-45
• 3.4.2 长时稳定动力学行为的预测45-48
• 3.5 小结48-50
• 第四章 开放量子系统中量子加速的机制50-62
• 4.1 简介50-51
• 4.2 相关理论背景51-55
• 4.2.1 量子速度极限时间51-54
• 4.2.2 非马尔可夫性54-55
• 4.3 模型与主方程55-56
• 4.4 束缚态导致的量子加速56-59
• 4.5 物理实现59-61
• 4.6 小结61-62
• 第五章 总结与展望62-68
• 附录A “不可发生”定理68-72
• A.1 完整Dicke模型的相变条件68-69
• A.2 TRK求和规则69-70
• A.3“不可发生”定理70-72
• 参考文献72-82
• 在学期间的研究成果82-84
• 致谢84

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