量子开放系统中的量子导引及其相关问题研究

Quantum steering is one of the most essential features in quantum mechanics, which is not only of significance in theoretical researches, but also of valuable application in quantum communication. Since quantum systems inevitably interact with their environment, it becomes important and interesting to consider the quantum steering problems in open systems, and which motives us to make the following plans: 1. By using of an exactly numerical method, i.e., the hierarchy equation method, we precisely investigate the Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) steering in the two-qubit open system. Moreover, we take into account two new concepts, i.e., the temporal steering and the spatio-temporal steering. The relationship between the three kinds of quantum steering will be revealed. Non-Markovianity will be found to play an important role in the dynamics of the quantum steering. 2. By using of the inequality criteria, we investigate the multipartite EPR steering and multipartite entanglement in open system. 3. We consider the quantum steering problems in the time-dependent driven qubits interacting with a common bath. The competition between the driving field and the bath will greatly influence the quantum steering. 4. By using linear optical devices, we plan to realize an experimental simulation of a kind of quantum channel without applying the rotating-wave approximation in the treatment of qubit-bath interaction. The EPR steering, temporal steering, and spatio-temporal steering will be experimentally tested through the proposed quantum channel.

量子导引是量子力学最本质的特征之一，不仅在基础理论研究中有重要意义，也在量子通讯等应用中具有重要价值，近年来又成为研究热点。由于量子系统不可避免的与环境发生相互作用，因而开放系统中的量子导引问题具有重要的研究价值。该项目主要计划如下：1. 利用级联方程方法，排除玻恩、马尔科夫、旋转波和微扰等近似的影响，精确地研究两比特开放系统中的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）导引随时间变化规律，并考虑最新提出的时间量子导引和时空量子导引，探索三种量子导引的内在联系，考虑非马尔科夫效应的重要影响。2. 利用不等式判据研究开放系统中的多体EPR量子导引以及多体纠缠。3. 考虑共同环境耦合下的含时驱动量子比特系统中的量子导引。驱动场与环境相互竞争，共同影响量子导引。4. 利用线性光学平台实验模拟非旋波近似下的量子通道，实验测量该通道影响下的时间量子导引、时空量子导引以及EPR量子导引。

本项目研究了开放系统中的量子导引、量子相干性以及其它量子关联的问题。借助精确数值方法与线性光学系统，实现了理论与实验结合的特色研究，为开放系统中的量子信息处理提供了重要依据，主要研究结果如下：（1）在不依赖于玻恩、马尔科夫以及旋转波近似的前提下，利用精确的数值计算方法，得到了量子导引等量子关联的动力学过程，探索得到了三种量子导引的内在联系，揭示了非马尔科夫等环境因素的重要影响；（2）以精确的数值计算方法为基础，首次通过实验模拟了非旋波近似的量子通道，对量子导引进行了实际测量，得到了其它类型量子通道无法展现的量子动力学过程，此通道为众多相关问题研究提供了良好实验平台，借助此通道对环境的量子非马尔科夫效应进行了实验探索，清晰展示了非旋波项的重要作用；（3）研究了一类退相位通道中的时间量子导引的演化问题，借助了量子导引的不等式判据以及量子导引权重，给出通道中的一般性解析结果，定义了时间量子导引权重能力新概念，可表征量子通道影响量子时间导引的能力。发现在环境的量子相变时候，时间导引参数会被明显压制；（4）展示了在开放系统中的通过辅助系统导引提取量子相干过程受到环境影响规律，通过动力学过程揭示辅助提取相干性过程中，量子纠缠并不是关键因素；（5）有关量子相干性的研究是近年来的热点问题，而量子非相干操作是该量子相干资源论框架的重要概念。我们首次给出了一般性的实验方案，设计了一套装置可以实现高维非相干操作。并首次通过实验演示了单发的量子蒸馏的过程。该工作提出的实验方案，可以推广到超导量子比特系统等众多量子体系。（6）我们研究了具有阻挫的海森堡链系统的量子记忆辅助熵不确定关系，并借此研究了该系统的量子相变问题。相对于量子纠缠，熵不确定关系判据可在退相位环境中较长时间有效。