量子开放系统动力学的数值研究

The dynamics of quantum open system is a subject to investigate the decoherence behaviors of realistic quantum systems in a noisy environment which can provide theoretical guidance for protecting the quantum coherence or reducing the decoherence. Many previous studies of this field restricted their attention to the Markovian approximation, the rotating wave approximation or the weak-coupling approximation which may result in certain limitations on their conclusions. In this sense, it is necessary to adopt and develop some exact numerical methods to study the reduced dynamics of quantum open system. In our scheme, we try to combine the advantages of two different kinds of numerical approaches, the hierarchical equations of motion and the non-Markovian quantum-state-diffusion equation, and propose a new numerical method to explore the reduced dynamics of open fermionic environment systems. By making use of this new numerical method, we try to discuss the influences of the non-Markovianity and the environment temperature on the dynamical behaviors of quantum open systems, and we also want to explore the possibility to adopt the time-dependent driven field to reduce the decoherence or the disentanglement in the open fermionic environment systems.

量子开放系统动力学是研究量子系统在噪声环境中退相干行为的学科。这方面的研究有利于我们了解实际量子系统的动力学行为，为保护量子相干性或者缓解退相干提供理论指导。之前许多这方面的研究都是基于马尔科夫近似，旋转波近似或者弱耦合近似，导致所得出的结论可能存在一定的局限性。因此，利用和发展一些更为严格的数值方法来研究量子开放系统的动力学显得非常必要。在本次研究项目中，我们拟结合级联运动方程和非马尔科夫量子态扩散方程这两种不同的数值方法的优点，发展出一种新的数值方法来研究开放费米环境系统的动力学。利用这种新的数值方法，我们可以讨论一些与开放费米环境系统有关的物理问题，比如讨论非马尔科夫效应与环境温度对系统动力学的影响，以及研究如何利用含时驱动方法来抑制退相干或者退纠缠。

在这一项目中，我们发展了级联运动方程方法，从数学上，厘清了它与非马尔可夫量子态扩散方程以及随机退耦合方法的关系。利用级联运动方程方法，我们深入研究了各种复杂噪声环境中微观量子系统的退相干行为。此外，我们提出了多种不同的退相干抑制方案，包括引入额外可控的辅助自由度，施加瞬时脉冲序列以及周期性外加驱动场。更进一步地，我们还将这些结果应用到量子参数估计，量子传感以及非平衡能量输运等等实际的物理学问题的研究中。我们分析了非马尔可夫性，系统与环境的耦合形式，量子资源(包括量子压缩性与量子纠缠)，系统与环境构成的复合系统的能谱特性以及系统与环境内禀关联对于量子参数估计，量子传感以及非平衡能量输运的影响。