开放系统量子相干和量子纠缠的演化与保护

量子系统的相干性质是区别于经典系统的最重要特征，也是量子信息科学的基础。量子纠缠是相干性在复合系统中的体现，是量子理论与经典理论最为冲突之处，也是量子信息的重要资源。真实系统总会与环境作用，必然会导致退相干和退纠缠，克服环境对系统的影响是实现量子信息的关键问题。本项目以探索退相干过程中量子系统的演化规律，并研究克服退相干方案为主线；涉及量子纠缠、非定域性、量子关联、动力学退耦合方案和Dirac方程的量子光学模拟等概念。从尝试理解自然界非定域关联本质的EPR2分解，到量子纠缠、量子关联在开放系统中的演化规律和在量子信息中的应用，再到克服退相干实验方案的设计。这一系列问题的研究，将使我们对量子理论有更深的认识，并为量子系统的应用增加坚实的理论基础。

量子关联是量子理论和量子信息的核心问题之一，本项目主要研究各类量子关联的刻画、受环境的影响和在量子信息过程中的地位等。主要成果如下：基于全空间和子空间中的最大纠缠态，本项目提出了2-qutrit纯态的一种可能的分解形式。在n-qurit系统，沿用连续化方案，我们得到了两类GHZ型纠缠态和maximal slice态中的不可约多体关联。这些结果揭示了高维系统中有着比qubit体系更为复杂的关联性质。本项目研究了2-qubit和3-qubit系统的纠缠鲁棒性问题。通过推广纠缠演化方程，我们得到了在局域退极化噪声下2-qubit系统的最稳定和最脆弱的纠缠态。近期延长退相干时间的实验进展启发我们考虑量子纠缠在无穷小噪声下的行为和性质，此时纠缠的一阶响应可以作为纠缠鲁棒性的度量。在局部退极化噪声下，我们得到了3-qubit纯态中两体纠缠的线性响应与初态五个纠缠不变量之间的解析关系。我们还发现了一类整体噪声，在其影响下三体纠缠线性响应的下界可以解析地表示为初态的两体和三体纠缠。这些解析结果揭示了，两体和三体纠缠是相互促进对方在环境中的衰减的。本项目研究了各类量子关联在利用辅助系统对量子态做区分的量子信息过程中的作用和地位。通过构造一个比现有结果更为普遍的联合幺正变换，我们证明了辅助系统和待测系统之间的纠缠是完全不必要的。不仅限于两态问题，我们还考虑了三个态的内积为实数的情况，并得到了相同的结论。这些结果表明在区分非正交态的问题中，是量子discord(dissonance) 在起着关键性的作用。本项目还考虑了相继区分态的过程，并发现待测系统与辅助粒子之间的量子纠缠不仅是不必要的，还是下一个测量者区分态的障碍。而左右discord分别与第一个和第二个观测者获取的信息正相关。本项目的结果发表为13篇论文，均被SCI收录。本项目的成员之一被破格晋升为副教授，两名研究生基于在本项目中的研究工作获得了硕士学位。