纠缠在实际应用中的动力学稳健性及相关问题的研究

量子信息过程中量子纠缠的保持或尽可能慢的衰减是实现量子信息任务的前提，然而，同一系统不同形式的纠缠态在与环境相互作用过程中其纠缠的衰减却差别极大，因此研究量子纠缠的动力学稳健性(Robustness)成为量子信息领域研究的重要方面。本项目重点研究各种纠缠态在实际量子信息过程中的动力学稳健性，找出实现某一量子任务最佳的纠缠类别与形式。通过设计各种可以模拟实际量子信息过程的精确可解模型，研究不同类别纠缠作为量子信道在该模型下的动力学特征，从而对比不同形式纠缠的稳健性；通过建立推广的纠缠monogamy关系及由其定义的真正多体纠缠量化参量，揭示纠缠演化中不同形式纠缠的转换与转移；探索系统与环境间的初始关联对纠缠动力学的影响，研究多体纠缠的演化规律，试图找到多体纠缠演化的可分解性。本项目的研究将有助于人们从理论上理解量子纠缠的本质，也为量子纠缠的实际应用提供有益的参考。

量子相干性和量子纠缠等量子特性是实现量子信息处理和量子计算的核心资源，但在实际操作中环境影响将导致相干性和纠缠的快速衰减，复合系统的纠缠甚至可以在有限时间内消失。因此，通过对系统或环境的操控来抑制各种类型的退相干对实现量子信息技术至关重要。此外，对开放系统动力学性质的全面了解也是实现各种量子任务的前提。从信息在系统与环境间流动的角度来看，系统的动力学可分为马尔科夫与非马尔科夫动力学。对于前者，信息只能从系统到环境单向流动；对于后者，由于环境的记忆效应，信息可以在系统与环境间双向流动。信息从环境到系统的反向流动导致了非马尔科夫动力学的发生，系统的一些量子特性(如相干和纠缠等)将部分地恢复。非马尔科夫动力学不仅具有重要的理论意义，而且具有潜在的应用价值。针对以上考虑，在本项目中我们从相对纯度出发推导出了任意初始混合态在开放系统演化过程中的量子速度极限时间，研究了如何通过对单个量子系统进行连续经典场驱动来调控环境的非马尔科夫性进而达到加快量子系统演化速度的目的；研究了如何利用量子弱测量和量子测量反转来保护耗散环境下系统的纠缠、操控相干性在相互作用系统中的转移、提高自旋链中态传输的保真度。结果表明通过对系统在演化前以及演化过程中的某个时刻所进行的两次测量能够提高系统的纠缠、改进相干性在多个系统间的转移、提高量子态在自旋链传输中的保真度；研究了利用耦合腔系统对系统相干性和纠缠的保持，并探讨了方案在当前实验条件下的可行性；研究了多重复合环境、两个环境间的耦合、以及级联环境对开放系统非马尔科夫性的影响，结果表明通过适当增加环境的个数或者改变环境间的耦合强度能够使系统的动力学在马尔可夫与非马尔可夫间转变，特别是这些方法能够用来触发系统非马尔可夫动力学的出现；研究了多波长赝热光源鬼成像的成像机理与成像特点，为彩色鬼成像提供了理论依据，探索了赝热光实时假彩色鬼成像方案，讨论了赝热光实时假彩色鬼成像的可行性。