介观体系非平衡交流输运中的量子纠缠熵

The quantum circuits is the bases of the future quantum devices. In the quantum circuits, the response characters on the dynamic transport are important. So, it is necessary to intensively study the dynamic non-equilibrium transport. Different from DC transport, in ac transport processes, all of the modes of external leads are important to the scattering region. To transport system, scattering region and external leads are all the subsystems, they entangle with each other. Quantum entanglement entropy is a measure of quantum entanglement. So far, most of the work on entanglement entropy focus on the closed many body system, less attention has been paid on the non-equilibrium open system, much less for the ac transport system. So, we will study the time dependent quantum entanglement entropy for open systems with the aid of non-equilibrium Green's functions. Objectives are listed as: (1) We will develop a general theoretical formalism for time-dependent entanglement entropy. (2) Because of the non-locality nature, it is important to study how to measure time-dependent entanglement entropy in experiment. (3) The entanglement is intensely related to the environment, we will study how an army of disorder and dephasing processes affect the entanglement entropy. This project will allow us to obtain deep insight in manipulating quantum entanglement in open systems, so it is significant both in theory and experiment.

未来的量子器件离不开量子电路，而交流输运性质又是衡量量子电路的一个重要指标。和直流输运不同，外接导线的所有模式都直接影响交流输运过程。对于整个输运体系，散射体和导线区分属两个子系统，它们彼此关联互相影响，构成非平衡开放体系中的量子纠缠。量子纠缠熵是度量量子纠缠的基本物理量，但是目前对量子纠缠熵的研究大都集中在封闭体系，很少有人关注非平衡开放体系尤其是交流输运体系的量子纠缠熵。综合以上因素，本项目拟用非平衡格林函数方法，研究交流输运体系的量子纠缠熵。内容包括：（1）在理论上如何用格林函数正确表达交流输运体系的量子纠缠熵；（2）纠缠具有非局域性，在实验上如何对它进行有效测量；（3）综合不同的输运体系，研究各种非理想的实验环境对交流输运过程中纠缠熵的影响，以此来评估所研究的体系在未来的量子信息和量子计算中应用的可能性。该项目有助于我们全面深入地认识交流输运过程，在理论和实践上都有重大的研究意义。

量子器件离不开量子电路，而交流输运性质又是衡量量子电路的一个重要指标。和直流输运不同，外接导线的所有模式都直接影响交流输运过程。量子纠缠熵是度量量子纠缠的基本物理量，但是目前对量子纠缠熵的研究大都集中在封闭体系，很少有人关注非平衡开放体系尤其是交流输运体系的量子纠缠熵。本项目中，我们用非平衡格林函数方法，结合全技术统计，研究交流输运体系的量子纠缠熵。预期目标有三个：. （1）在理论探讨上如何用格林函数正确表达交流输运体系的量子纠缠熵；. （2）在实验上 探讨如何对交流输运体系的量子纠缠熵进行有效测量；. （3）综合不同的输运体系，研究各种非理想的实验环境对交流输运过程中纠缠熵的影响，以此来评估所研究的体系在未来的量子信息和量子计算中应用的可能性。. 其中，第一个预期目标是本项目的起点，同时也是重点和难点。本课题在这一方面进行了大胆的探索，做了以下几方面的工作：. （1）纠缠熵理论：结合全技术统计和非平衡格林函数理论，从纠缠熵定义出发，构造纠缠熵算符，理论计算了纠缠熵涨落及更高阶累积量，探讨非平衡输运体系的纠缠熵的可能的表达形式，进而求解非平衡开放体系纠缠熵分布。. （2）纠缠熵应用-纠缠熵分布：以量子点接触体系为例，定量严格求解此开发体系的纠缠熵分布。结果表明，当透射系数正好为0.5时，纠缠熵最大，此时无涨落。为了更好地测量纠缠熵，我们进一步找到了电荷涨落和纠缠熵分布的对应关系。并发现，短时纠缠熵的各阶累积量均与系统参数无关，是一种普适行为。. （3）纠缠熵应用-纠缠熵演化：用单分子隧道结研究体系本身的固有构架对纠缠熵的影响。发现，在连接导线的过程中，散射区的初始状态几乎完全决定纠缠熵的演化，初始占据数越接近1或0（完全占据或完全空置）体系越有序，纠缠熵越小。. （4）全计数统计和动力学输运：全计数统计是本项目研究纠缠熵理论的一个重要工具，把全计数统计方法用于分子结的短时动力学输运，验证了该方法的有效性；此外，还研究了Rashba效应引起的反铁磁磁动力学，解释了电流驱动的磁化过程的物理本质；研究了吵到约瑟夫森结的暂态过程，发现由Andreev束缚态这个“dominant zero”引起的特殊的quench效应。. 以上研究直接促进了交流输运理论的发展，能有效指导实验，有助于我们全面深入地认识交流输运过程。