环境的调控对量子微腔的非马尔科夫动力学的影响

The investigation of the non-Markovian decoherence dynamics of quantum microcavities, a typical quantum open system, is one of the hot topics in the fields of quantum optics and quantum information. The property of the environment has an essential influence on the dynamics of the system. How to suppress quantum decoherence of microcavities by controlling the environment is the main motivation of our project. In our project, we will study the following issues. (i) We will extend the theory of the non-Markovian dynamics of a microcavity coupled to a thermal environment to the case that it is driven by a squeezed thermal reservoir, and discover how quantum information transfers between the microcavity and the engineered reservoir. (ii) We will generalize the theory established in (i) to the case of two microcavities, discussing the squeezing effect of the reservoir on the entanglement dynamics of the two cavities. (iii) We will apply the theory established in (ii) to the field of phase estimation for quantum interferometers. In this way, we can reveal how the squeezed engineered reservoir suppresses the noise effect on the practical phase estimation. (iv) With the help of optomechanical system (a special micorcavity), we will investigate the quantum information transfer between the microcavity and the engineered reservoir of the mechanical oscillator, where indirect nonlinear interaction exists between the microcavity and the reservoir. (v) We will consider a microcavity coupled to metamaterial (a structured reservoir), and observe the influence of the geometry structure of the reservoir on the non-Markovian dynamics of the two-level atom in the microcavity.

微腔是一个典型的开放量子系统，其非马尔科夫退相干行为是量子光学和量子信息领域中的热门研究课题。环境的性质对系统的动力学行为起到至关重要的作用。如何通过调控环境来抑制微腔的量子退相干是本项目的研究动机。我们拟研究的内容有：(1) 考虑量子微腔由压缩热库来驱动，推广原有的微腔与热环境耦合的非马尔科夫动力学理论，讨论微腔与驱动库之间的量子信息传递；(2) 推广(1)中的理论到两个微腔的情况，考察环境的压缩性质对两个微腔之间的量子纠缠动力学的影响；(3) 将(2)中的理论与量子干涉仪的相位估计理论相结合，考察环境的压缩性质如何抑制噪声对相位估计精度的影响；(4) 借助于光机械系统(特殊的微腔)，研究微腔与机械振子的驱动库(压缩热库)之间存在间接非线性耦合时的量子信息传递；(5) 将量子微腔与超材料(具有几何结构的库)相耦合，考察超材料的几何机构对微腔中二能级原子的非马尔科夫动力学行为的影响。

量子开放系统的退相干问题是量子力学的基本研究课题，也是实现大规模量子计算机的最主要障碍之一。研究不同环境下量子开放系统的退相干及其控制理论是量子信息和量子计算领域的热门研究方向。在本项目中，我们的研究内容有(1)通过理论分析和数值模拟，我们研究了环境的非马尔科夫效应对系统的量子相干性的影响。首先，我们一般性地讨论了环境初始为热态时，量子开放系统的量子经典跃迁现象。其次，我们给出了初始环境为压缩热库时，系统严格的非马尔科夫动力学，并讨论系统与环境之间的压缩传递关系。再次，我们将波导为半无穷长的腔阵列结构推广到无穷长的腔阵列结构，研究了单个或多个量子比特系统的严格非马尔科夫动力学，发现无穷长腔阵列结构更有利于系统量子相干性的保留，而且量子比特数目的增大可以有效提高初态量子信息的保持。这些研究告诉我们，通过改变环境的初始状态以及环境的几何结构，系统都是可以比较好的保存其量子相干性的。这些探讨都为未来量子技术在克服量子退相干方面提供了新的途径。(2)通过对量子Fisher信息的研究，我们探讨了量子系统的开放性对于利用量子资源来提高参数估计精度的影响。首先，我们给出了一个普遍的su(2)类型幺正参数化过程中的最大量子Fisher信息的解析表达式。其次，我们研究了非厄米的玻色-哈伯德二聚体的量子动力学相变问题以及其稳态的量子Fisher信息，发现非厄米系统提供的动力学资源比厄米系统具有更大的优势。(3)通过合理地调节脉冲周期和相位差，我们在具有非线性耦合的自旋玻色-爱因斯坦凝聚体的动力学过程中实现了最大自旋-向列压缩的产生和存储。这些研究对于量子信息处理和量子度量学的进一步发展提供重要的实验参考价值。(4) 根据第一原理，通过数值计算,我们讨论了陶瓷类化合物和heusler化合物的宏观性质与微观结构。这为我们进一步研究量子开放系统与材料的耦合动力学打下基础。