量子相干性的度量及其在量子信息处理中的应用研究

Quantum coherence is a central resource in quantum information processing, which is the precondition of quantum correlations including quantum entanglement and quantum discord in a quantum state. In addition, quantum coherence is a new viewpoint in explaining the physical mechanism of lots of natural phenomenons ( i.e., quantum coherence is the fundamental reason in the superhigh-efficiency of energy transfer in the photosynthesis system ). However, how to quantify the quantum coherence in single high dimensional and multipartite quantum systems becomes a difficult problem in quantum information processing. In this project, for quantifying the quantum coherence in quantum systems and seeking its applications in quantum information processing we study the following two questions by means of geometric distance-quantum Hellinger distance approach: (1) defining a measure of quantum coherence for single and two quantum systems based on the useful properties of quantum Hellinger distance, respectively; (2) further studying the application of the new measure of quantum coherence in the non-Markovianity of open quantum systems. By this investigation,from theoretical and experimental point of view we will provide some valuable reference to enrich the measure of quantum coherence and explore its applications in quantum information processing.

量子相干性是量子信息处理中的核心资源，它是量子纠缠、量子失协等量子关联存在的前提条件. 另外，量子相干性也是解释许多自然现象其物理机制的一个新突破口(如量子相干性可能是光合作用系统中高能量转移率的根本原因). 然而，怎样去量化一个单体高维和多体量子系统中的相干性一直是量子信息处理中的一个难题. 本项目就怎样去量化一个量子系统中量子相干性以及相应量子相干性度量在量子信息处理中的应用，拟研究如下两个具体问题：(1) 利用基于几何距离方法-量子 Hellinger 距离的诸多优良性质来分别定义一个对单体和两体量子系统的量子相干性度量；(2) 进一步研究新定义的量子相干性度量在测度开放量子系统中其非马尔可夫性的应用. 通过本项目的研究，将为丰富量子相干性的度量方式以及探索它在量子信息处理中各种应用，不管是在理论还是实验研究上提供一些有价值的参考.

量子相干性是量子信息处理中的核心资源，它是量子纠缠、量子失协等量子关联存在的前提条件。 特别近年来，人们提出了量子相干性作为一种资源理论的数学严格的框架，这极大引起了人们对量子相干性的兴趣。本项目围绕量子相干性度量方式以及它在量子信息处理中的应用进行了较为详细的研究。在本项目的资助以及项目组成员的通力合作下，项目组成员在三年期间共完成了标注基金号的10篇SCI学术论文。概括来说，我们主要从以下三个方面对量子相干性进行了研究：(1) 创新性地提出了一种解决利用量子相对熵相干性在测度开放量子系统中非马尔科夫效应时失效的方案，以及利用Brukner-Zeilinger 不变量信息定义一种新的可以测度开放量子系统中的非马尔可夫性度量方式，得到了测度几种著名的耗散模型中的马尔科夫条件。与以前的工作相比，我们测度马尔科夫过程发生的条件范围还更广一些（ Phys. Rev. A 96, 022106 (2017)、Commun. Theor. Phys. 67, 255(2017)）；(2)研究了开放量子系统中量子消相干动力学以及其控制问题（Chin. Phys. B 24, 080304(2016)、Int. J. Theor. Phys.55, 3737（2016）、Int. J. Theor. Phys, 56, 2813（2017）、Laser Physics. 28, 105202（2018）、Int. J .Theor. Phys.57, 3682（2018））；(3)研究了光力系统中基于压缩场的诱导透明窗口机制、全光精密质量检测,以及一维准晶格中的玻色子对关联函数的研究（Int. J. Theor. Phys. 55，5385（2016）、Int. J. Theor. Phys.56, 2212（2017）、J. Low. Temp. Phys. 190，26(2018) ）。对照原项目申请书，我们较好地完成了申报书中既定的研究任务。