开放系统量子测量与控制的理论研究

发布时间：2017-07-05 08:00

  本文关键词：开放系统量子测量与控制的理论研究

  更多相关文章： 量子测量 开放系统 马尔科夫 非马尔科夫 量子计量 量子控制 退相干 反馈

【摘要】：对世界的认识和理解离不开测量,加之世界在本质上是量子的,因此量子测量本身被赋予更为深远的意义。一方面,量子测量理论建立起量子形式与宏观装置所在的经典世界之间的本质联系。另一方面,通过量子测量控制量子系统在量子信息处理等领域中起着举足轻重的作用。实际上,量子系统不可避免地与周围环境存在相互作用,这使得研究开放系统的量子测量与控制成为具有重要科学意义和应用价值的课题。本论文所研究的正是这一课题,并着重研究其在量子信息科学中的应用。它主要包括了以下几个方面的内容：1.光腔中系统的动力学信息可被从光腔中溢出的光子携带出去,因此通过连续性测量这样的溢出光子可获取相应的光谱图。我们推广了这一分析方法,用光谱图揭示出处于自旋环境中系统的动力学是Markovian还是non-Markovian,并且能比较相应的马尔科夫效应或非马尔科夫效应的强弱。此外,利用连续性测量可以判断环境之间是否存在关联。2.研究了关联马尔科夫和非马尔科夫环境下的频率测量精度问题。利用变分法,我们得到了该测量精度的下限。当使用标准的拉姆齐测量时,直积态与最大纠缠态的计量相等性在最大的关联环境中仍然成立。更进一步地,我们发现在关联环境下,相比于拉姆齐测量,最优的测量可以获得好的多的精度。3.探究了粗粒化测量参考系中模糊度随着转动角度发生改变的情形(不同的角度代表了不同的参考系)。结果表明：如果参考系的模糊性只来自于哈密顿量,那么参考系的模糊度会随着转动角度发生改变,并且无论哈密顿量的模糊度有多大,量子效应都能一直被发现；如果参考系的模糊度只来自于时间,模糊度则不会随转动角度而改变。在测量轴转动过程中,退相干环境有可能帮助经典到量子的跃变,这是由于它改变了测量轴的方向。4. Amir等人提出了将信号编码在通讯方测量基的选取上的协议,其测量结果是与通信无关的,因此可被遗弃。但它不是绝对安全的协议。我们则利用测量结果,并且分化Hilbert空间将其改进为一个安全的通信协议。并且,利用纠错码来增加该协议在噪音环境下的容错能力。5.我们研究了贯穿在与各自环境局域的相互作用的两个子系统中的非马尔科夫效应。在对局域系统作用时间有额外控制的情况下,两个子系统间的初始关联能够将马尔科夫体系转变为非马尔科夫体系。进一步的研究非局域非马尔科夫体系从以下两个情形：没有额外控制,非局域非马尔科夫效应仅仅出现在局域动力学是non-Markovian-non-Markovian或者Markovian-non-Markovian的条件下；有额外的控制,它能够出现在局域动力学是Markovian-Markovian条件下。这说明两个环境间的关联所起的作用有一个上限：它只能使得信息从环境返回到系统中的时间有限的短于局域子系统的,而不是无限的短。此外,我们建议了两个特别的方式去建立两个环境间的经典关联。最后,通过自旋星型组态的数值解,可以获知环境的自身关联能够促进非局域非马尔科夫效应。
【关键词】：量子测量 开放系统 马尔科夫 非马尔科夫 量子计量 量子控制 退相干 反馈
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 量子测量和开放系统的基础知识16-42
• 1.1 量子测量基本理论17-20
• 1.2 量子测量分类20-21
• 1.3 连续测量21-26
• 1.3.1 光子数探测22-23
• 1.3.2 相干态输入23
• 1.3.3 零差测量23-25
• 1.3.4 外差测量25-26
• 1.4 量子计量学26-28
• 1.5 量子测量理论存在的问题28-29
• 1.6 开放系统的基本理论29-38
• 1.6.1 封闭孤立的量子体系到开放量子体系29-31
• 1.6.2 马尔科夫主方程31-36
• 1.6.3 非马尔科夫主方程36-38
• 参考文献38-42
• 第二章 自旋环境下的连续性测量42-56
• 2.1 系统与光腔耦合模型42-47
• 2.2 马尔科夫与非马尔科夫动力学的揭示47-49
• 2.3 弱谱证明环境之间的关联49-52
• 2.4 小结与展望52-54
• 参考文献54-56
• 第三章 粗粒化的测量参考系56-68
• 3.1 三种参考系粗粒化处理57-63
• 3.1.1 粗粒化的转动频率ω_058-61
• 3.1.2 粗粒化的转动时间t_061-62
• 3.1.3 粗粒化转动时间与频率62-63
• 3.2 退相干环境63-65
• 3.3 本章小结65-66
• 参考文献66-68
• 第四章 使用测量基的选取进行安全量子通信68-80
• 4.1 文献[1]的回顾68-70
• 4.2 安全量子通信70-73
• 4.3 噪音参与的安全通信协议73-75
• 4.4 本章小结与展望75-78
• 参考文献78-80
• 第五章 关联环境中的量子计量80-94
• 5.1 非关联环境81-85
• 5.2 关联环境85-88
• 5.3 讨论88-89
• 5.4 本章小节89-92
• 参考文献92-94
• 第六章 移相退相干环境下的非局域非马尔科夫效应94-108
• 6.1 理论模型95-96
• 6.2 三个动力学过程96-99
• 6.3 额外的控制99-101
• 6.4 经典关联的形成101-103
• 6.5 环境自身关联促进非局域非马尔科夫效应103-104
• 6.6 本章小结104-106
• 参考文献106-108
• 第七章 量子反馈108-116
• 7.1 马尔科夫量子反馈控制108-109
• 7.2 贝叶斯量子反馈控制109-111
• 7.3 延时非马尔科夫量子反馈控制111
• 7.4 研究展望111-114
• 参考文献114-116
• 第八章 总结与展望116-118
• 致谢118-120
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果120

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本文编号：521071