开放系统中量子相干和量子关联特性及其相关问题研究

A hot research field of quantum information—quantum correlation and its dynamics in an environment, as well as the problems related to quantum phase transitions (QPT), quantum chaos and quantum metrology. We focus on the dynamics process of non-perturbative, non-Markov and non-rotating-wave approximation. Moreover, we can understand and study quantum-phase-transition problems by quantum information methods, which is quite innovative. The main content is as follows: (1) By using of the Hierarchy-equation method, we study the quantum correlation dynamics including common and independent environments, and highlight the impact of non-Markov and strong coupling; (2) We study the quantum correlation in high-dimensional and multi-body systems, and make use of it into QPT problems. We will also consider the environments with QPT and quantum chaos; (3) We consider the Landau-Zener (LZ) transition in an environment including finite-temperature and zero-temperature conditions and highlight the role of non-rotating-wave terms. We also consider the quantum correlations in two or multiple LZ systems. We try to find the relation between the LZ process and quantum correlation under the influence of environment; (4) Application of quantum correlations in quantum metrology. We will consider the relation between the quantum Fisher information and quantum discord, in order to find the role of quantum correlations in improving the parameter estimation accuracy. We also plan to consider the cases of continuous variables.

研究量子信息领域的热点问题——量子关联及其动力学问题，以及与量子相变、量子混沌、量子度量学相关的问题。重点考察非微扰、非马尔科夫和非旋波近似的动力学过程，并从量子信息学角度理解和研究量子相变等问题。主要内容如下：(1) 利用级联方程方法研究量子关联的动力学行为，包括共同环境和独立环境等不同情况，突出非马尔可夫和强耦合的影响；(2) 研究较高维度以及多体系统的量子关联及其在量子相变问题中的应用，也将考虑环境中的量子相变及量子混沌对量子关联演化行为的影响；(3) 环境影响下的Landau-Zener（LZ）跃迁，包括有限温度和零温条件，突出非旋波项的作用。考虑两个及多个LZ系统的量子关联，得到LZ过程与量子关联的相互关系以及环境因素的影响； (4)量子关联在量子度量学中的应用。考虑量子Fisher信息与量子失协等概念的联系，量子关联对提高参数估计精度的作用，也计划考虑连续变量情况。

量子关联问题是量子信息学中的核心问题，是实现量子计算、量子通讯等技术的基本保障，而环境的因素将极大影响量子关联以及量子相干性，是制约量子技术发展的主要因素之一，因而研究开放系统中的量子关联动力学问题显得尤为重要。本项目研究了非旋波近似下的开放系统的量子纠缠、量子压缩、量子导引、量子速度极限等动力学过程，量子相变环境耦合下的量子关联和量子相干特性的问题，环境耦合下的Landau-Zener跃迁等含时驱动过程以及量子关联与量子度量学的相关问题等。本项目涵盖理论与实验研究，丰富了量子关联的研究，对开放系统的量子信息处理给出了重要的理论依据。以精确的数值计算方法为基础，实验搭建了量子光学系统，模拟了量子通道对量子态的演化结果，得到了其他基于近似方法的量子通道所无法展现的量子动力学过程，并对量子导引进行了实际测量，此通道为众多相关问题研究提供了良好实验平台。得到了环境耦合下的Landau-Zener类型含时驱动系统的动力学演化规律，在有限驱动参数范围条件下，绝热保真度随耦合强度变化体现出非单调行为，通过外加非透热驱动以及退耦合驱动可部分实现绝热演化。给出了一种有效的描述混合初态的开放系统的演化速度极限，发现耦合强度导致速度极限的非单调变化，系统的非马尔科夫效应并非始终与速度演化极限有良好对应。发现环境中的量子相变会极大影响中心系统的量子时间导引，在相变点附近，量子时间导引将发生明显降低，其突变位置很好的指示了环境的相变点。发现与共同环境耦合的子系统之间可诱导产生量子导引。发现EPR量子导引与时间量子导引以及时空量子导引之间没有必然联系。而时间导引与时空导引之间在我们考虑的多数情况下有交替振荡现象发生，维持某种平衡。发现基于纠缠相干态的多参数的量子参数估计精度的涨落会低于NOON态，低光子数情况下，纠缠相干态会得到更优的参数估计精度。我们基于多腔耦合量子超导比特系统设计了有效的制备NOON态的方案，操作步数有明显降低，实验实现更加简单，并且抗噪声的性能更好。