初始关联导致的量子干涉及其对开放系统动力学的影响

The irreversible time evolution of open system is a fundamental issue in quantum mechanics. The development of quantum information bring about some new questions and methods which require a further investigation for the dynamics of open system. In the conventional study the system is assumed uncorrelated from its environment initially, while in practical situations the investigated system is unavoidably correlated with the environment also at the initial time. In this project, we first study the role of initial system-environment correlations in the dynamics of open quantum system. In particular, we consider the influence of quantum interference induced by the relative phase in the correlated initial state on the energy exchange between system and its environment as well as the information flow. Then, as a further generalization and application, we study the effects of initial correlations between multipartite system and the environment in the evolution of system's entanglement. We investigate the interactions of the system with a common environment and with independent local environments, respectively, and explore how to choose the relative phases in the initial correlated system-environment state to optimally control the entanglement evolution. In the end, we study the roles of factors such as initial correlations on the efficiency of energy transport in light-harvesting complexes and the other relevant issues. Through the step-by-step study in this project, we shall reveal the mechanism of the initial correlations on the dynamics of open system and provide the necessary theoretical basis for the practical application of quantum information technologies.

开放系统的不可逆时间演化是量子力学的基本问题，而量子信息的发展所带来的新问题和新方法要求对开放系统动力学做出进一步研究。传统研究中，系统一般被假定与环境初始时没有关联，而实际上系统-环境关联在初始时刻就不可避免地存在。本项目首先研究系统-环境的初始关联在开放系统动力学中的作用，特别考虑初始关联态的相对位相导致的量子干涉对系统与环境能量交换和信息流动的影响。然后，作为进一步的拓展与应用，研究多体系统与环境的初始关联对系统纠缠演化的影响。分别考察多体系统与同一环境以及与独立局域环境的作用，探索如何通过选择系统-环境初始关联态中的相对位相达到对纠缠演化的最优操控。最后，研究初始关联等因素在光捕获复合物能量输运效率中的作用及其他相关问题。本项目通过层层递进的研究，深入揭示初始关联对开放系统动力学的影响机制，为量子信息技术的实际应用提供必要的理论基础。

实际量子系统都是开放系统，对开放量子系统不可逆时间演化的研究不仅是量子力学的基本问题，而且是实现量子信息技术的关键环节。量子相干性和量子纠缠等量子特性是实现量子信息处理和量子计算的核心资源，但在实际操作中环境影响将导致相干性和纠缠的快速衰减，复合系统的纠缠甚至可以在有限时间内消失。因此，通过对系统或环境的操控来抑制各种类型的退相干对实现量子信息技术至关重要。此外，对开放系统动力学性质的全面了解也是实现各种量子任务的前提。从信息在系统与环境间流动的角度来看，系统的动力学可分为马尔科夫与非马尔科夫动力学。对于前者，信息只能从系统到环境单向流动；对于后者，由于环境的记忆效应，信息可以在系统与环境间双向流动。信息从环境到系统的反向流动导致了非马尔科夫动力学的发生，系统的一些量子特性(如相干和纠缠等)将部分地恢复。非马尔科夫动力学不仅具有重要的理论意义，而且具有潜在的应用价值。 本课题所研究的内容，即系统-环境的初始关联是导致非马尔可夫动力学的条件之一。针对以上两点，本项目研究了环境间的初始关联对复合系统纠缠动力学的影响；研究了如何利用量子弱测量和量子测量反转来保护耗散环境下系统的纠缠、操控相干性在相互作用系统中的转移、提高自旋链中态传输的保真度。结果表明通过对系统在演化前以及演化过程中的某个时刻所进行的两次测量能够提高系统的纠缠、改进相干性在多个系统间的转移、提高量子态在自旋链传输中的保真度；研究了利用耦合腔系统对系统相干性和纠缠的保持，并探讨了方案在当前实验条件下的可行性；研究了多重复合环境、两个环境间的耦合、以及级联环境对开放系统非马尔科夫性的影响，结果表明通过适当增加环境的个数或者改变环境间的耦合强度能够使系统的动力学在马尔可夫与非马尔可夫间转变，特别是这些方法能够用来触发系统非马尔可夫动力学的出现。