开放量子系统中非马尔科夫性操控的理论研究

The dynamic evolution of open quantum systems often depends on the environmental characteristics of their interaction. According to the characteristics of the environment, the dynamics of open quantum systems can be divided into Markovian and non-Markovian process. At present, quantum non-Markovianity has been proved to be a potential quantum resource. Therefore, the study of the quantification and manipulation of non-Markovian processes in open quantum systems has become an important topic in the field of quantum information. This project intends to seek effective methods to manipulate the non-Markovian dynamics of open quantum system dynamics from the perspective of quantum control. The main considerations are as follows: 1. The influence of different dynamical decoupling schemes on the measure of non-Markovianity; 2. How to control the non-Markovian dynamics of systems with quantum feedback; 3. The influence of vibration modes on the measure of non-Markovianity. Since the non-Markovian property is helpful to improve quantum metrology and accelerate quantum computation, the result of this project will have potential important applications in exploring non-Markovian effect for future quantum technology and quantum memory etc.

开放量子系统的动力学演化往往依赖与其作用的环境特性，根据环境的特性可将开放量子系统的动力学演化分为马尔科夫与非马尔科夫两种基本过程。目前，量子非马尔科夫性本身已被证实可作为一种潜在的量子资源，故研究开放量子系统中非马尔科夫过程的度量和调控成为当前量子信息领域的一个重要课题。本项目拟从量子控制的角度，寻求有效的方法实现对开放量子系统动力学过程非马尔科夫性的调控，主要考虑如下三项内容：1.研究不同动力学解耦方案对非马尔科夫性度量的影响；2.研究通过量子反馈的手段实现对系统非马尔科夫动力学的调控；3.研究振动模式对非马尔科夫性度量的影响。鉴于量子非马尔科夫特性具有提高量子精密度量和加速量子计算等应用，本项目的结果对未来量子技术开发利用系统的非马尔科夫记忆效应、量子存储等研究具有潜在的重要价值。

开放量子系统的动力学演化往往依赖与其作用的环境特性，根据环境的特性可将开放量子系统的动力学演化分为马尔科夫与非马尔科夫两种基本过程，而开放系统中的量子态也会由于环境噪声的影响发生消相干，使信息流向环境，造成纠缠及相干性不断减少，故研究开放量子系统中非马尔科夫过程的度量和调控以及纠缠保护成为当前量子信息领域的一个重要课题。在本项目中我们主要进行如下研究：1.基于一个两能级系统与玻色子量子库的相互作用模型，研究反馈控制对量子非马尔科夫性动力学的影响。结果表明，基于量子跃迁的反馈控制可以提高模型的非马尔科夫性。数值模拟发现σx和σy的联合操作对提高非马尔科夫性有较好的效果。并在此基础上分析了反馈振幅对非马尔可夫性动力学的影响，方案的显著优点是可以避免操纵大量的环境自由度；2.研究了在模型系统中量子反馈对于激子传输效率的影响，以三个分子组成的链式系统为例，研究表明施加量子反馈有助于激子传输效率的增强，分别考虑了均匀的和失谐型的模型系统，此外还考虑了在FMO复合物系统中如何通过施加反馈实现激子传输效率的增强；3.研究了失谐二聚体模型中，环境振动模式对激发能量传递的影响。数值模拟结果表明，供体和振动模之间的耦合强度可以显著地调节系统的动力学，从而影响激发的吸收和转移；4. 通过一个量子位的幺正运算增强初始量子态的鲁棒性，从而在振幅阻尼或相关振幅阻尼退相干影响下提高纠缠。不同于已有的动力学解耦方案，无需弱测量的持续监测以及频繁幺正操作的施加。结论表明初始的单量子位幺正运算可以延长纠缠突然死亡时间，并通过计算给出了最优操作，此外与局域过滤操作的结合可进一步提高有限时间内纠缠大小。