弯曲时空量子效应与开放量子系统理论

本项目拟利用开放量子系统的理论框架，研究弯曲时空中的量子现象，如黑洞的Hawking辐射，变化引力场中粒子的产生，De Sitter 时空中Gibbons－Hawking热效应等等，以期为从开放量子系统理论（特别是从耗散和量子退相干影响）的角度深入理解这些量子效应的起源和内涵提供一个新的尝试和有益探索，特别是考虑到开放量子系统理论在量子信息研究中的作用，我们希望本项目的研究还能为深刻理解黑洞的Hawking辐射及由此产生的黑洞信息佯谬问题提供具有重要参考价值的结果。

本项目利用开放量子系统方法对黑洞外部和de Sitter时空中原子的动力学演化，量子纠缠，几何相等量子效应进行了系统研究，并取得了如下有科学意义的结果：1. 发现Gibbons-Hawking效应可以看成开放量子系统中涉及退相干与耗散的热化现象，给出了Gibbons-Hawking效应的一种新的理论推导，在两个重要的看似彼此独立的研究领域建立了有趣的联系，为利用开放量子系统理论研究其它弯曲时空量子效应和量子引力效应提供了成功的范例。 2. 研究了黑洞外部基本量子系统（两能级原子）的动力学，发现该量子系统会热化到温度处于零和黑洞霍金温度之间的稳定态，特别是热化温度依赖于量子系统的跃迁频率，因此具有不同跃迁频率的量子系统会热化到不同温度的态， 结果表明黑洞外部基本量子系统的行为和稳态非热平衡介质外部两能级原子的行为类似。这一研究指出了利用超材料和超导量子线路构成类比系统在实验室中检验黑洞霍金辐射的可能性。 3. 研究了加速原子的几何相和Unruh效应，发现由于加速度导致的相位变化原则上可以通过加速原子和惯性原子之间的原子干涉实验观测到，这为实验检验Unruh效应提供了新途径。研究了黑洞外部静态原子的几何相，为理解和研究黑洞的Hawking辐射提供了一个全新的角度。 4. 在量子开系统理论框架中，研究了de Sitter时空中量子纠缠的产生，发现该时空中静态原子量子纠缠的产生表现出与平直时空热库中静态原子不同的特性，因此原则上，人们通过检查两个初始处于可分离态原子的量子纠缠的产生来判断自己是身处 de Sitter 时空还是热库。 5. 研究了黑洞外部电磁场的量子化，定义了电磁Hartle-Hawking真空，Unruh真空和Boulware真空，并在此基础上研究了原子的自发激发现象。推广了DDC方法使之能用于自旋为1/2的场和非线性耦合情况。 6. 距离对偶(DD)关系（发光距离和角直径距离之间的对偶关系）是宇宙学和天文学中一个非常重要的关系。它是建立在光子沿短程线运动和光子数守恒这两个基本假设基础之上。我们采用一种模型无关的方法，直接利用发光距离和角直径距离的观测数据检验了DD关系，发现这一关系在68%的置信区间和观测吻合。