非马尔科夫环境作用下固态体系量子关联的动力学演化及量子通讯特性

When the system-environment coupling is strong or the environment is structured, the environmental correlation time is comparable to the system decoherence time, sometimes even longer than the correlation time of the system. In this case, the non-Markovian memory effect of the environment on the system can no longer be neglected, especially for the solid state systems, which have many advantages as scalability and integrability. Quantum Stochastic Diffusion (QSD) method, as a numerical method to deal with stochastic pure states, not only can be used to exactly study the singularity brought by the non-Markovian processes, but also can substantially improve the calculation efficiency. Being independent of the coupling strength, correlation time and the spectral density of the bath, it has already showed promising potential applications on quantum dynamical control etc. By applying the QSD method to the study of the non-Markovian dynamics of quantum correlations in the solid state systems, including quantum entanglement, quantum discord and geometric quantum discord, and also quantum communication, we will testify the rebirth and control of the quantum correlations under the non-Markovian environment, and attempt to find the optimized scheme for quantum communication. Furthermore, we also investigate the noise control strategy with no artificial manipulation over the multi-qubit open quantum systems.

当开放量子系统与其环境耦合较强或环境是人为构建的情况下，环境关联时间相对于体系的弛豫或退相干时间不那么短，甚至远大于系统自身的关联时间。此时，环境的记忆效应对系统的反馈作用—非马尔科夫性不能忽略，尤其是在拥有可扩展性、易嵌入性等优点的固态体系里。量子态扩散（QSD）方法，作为数值处理一个随机纯态的方法，不仅能够用来精确地研究非马尔科夫过程带来的奇异性质并能够极大的提高计算效率，而且用该方法处理开放量子体系的动力学演化不受耦合强度、关联时间及库的谱密度的影响，已展现出其在量子动力学控制等领域内的潜在价值。我们将利用QSD方法，通过分析固态体系中的量子纠缠、量子失协及几何量子失协等量子信息核心资源的非马尔科夫动力学及量子通迅特性，探究量子关联在非马尔科夫效应下的产生、复活机制，力争找出量子通迅优化方案，并探讨在复合噪声情形下，多量子比特体系中实现无人干预式退相干控制。

量子开放系统问题里的非马尔科夫环境（热库）的记忆不能忽略，必须考虑环境对系统的反馈作用，这是因为此时的环境与体系的耦合较强，环境关联时间相对于体系的弛豫或退相干时间不那么短，甚至远大于系统自身的关联时间。固态体系相比于其他体系虽然有可扩展性、易嵌入性等优点，但其环境自由度过多，体系与环境处于强耦合状态导致其相干性难以保持足够长，环境明显具有非马尔科夫特性。因此，研究非马尔科夫环境下固态量子系统的动力学行为对量子力学基础问题及量子信息处理等有重要的理论和实际意义。..本项目将非马尔科夫 QSD 方法应用于固态开放量子体系，探究非马尔科夫环境作用下，体系量子关联的动力学演化机制，量子通讯在该开放体系中的理论实现以及退相干控制等问题。我们不仅仅要讨论环境为玻色子库的情形，而且还将探讨玻色子与费米子混合库的情形。研究内容及重要结果如下：..（1）量子关联的非马尔科夫动力学演化问题：环境非马尔科夫性增强，可以增强双量子点电荷比特的量子关联。在非马尔科夫环境下海森堡自旋系统中两比特间耦合强度对量子纠缠、几何量子失谐随时间的演化起到了积极作用。在非马尔科夫环境下外加均匀磁场时 KSEA 相互作用提升系统量子纠缠、量子失协。.（2）非马尔科夫环境对量子通讯的潜在影响：当三能级原子与强非马尔科夫环境耦合时，三能级原子量子隐形传态保真度拥有较长的弛豫时间及较好的鲁棒性。此外，在非马尔科夫环境下KSEA 相互作用可以提升稠密编码的信道容量及隐形传态的保真度。.（3）多量子比特体系中无人干预式退相干控制策略：在双量子比特非马尔科夫耗散过程中通过强磁场诱导出的马尔科夫退相位噪声与非马尔科夫弛豫噪声混合一起时，在给定的时间尺度内可以提高隐形传态的平均保真度和稠密编码的信道容量。.（4）混杂非马尔科夫库：与混杂非马尔科夫库耦合的海森伯自旋链模型与单一非马尔科夫库耦合的情况相比显示出更高的纠缠度、更优的量子稠密编码以及更长的弛豫时间。