非单模近似下弯曲时空中的量子关联及其相关问题研究

As the hotspot in the field of quantum information science, quantum information in curved space-time has significant learning value and potential application prospect. In this research project, a further systematical investigation of quantum information in curved space-time beyond single-mode approximation method will be provided based on the quantum field theory considering relativistic effect. The specific research outputs about quantum correlations, quantum entanglement, quantum information transfer and quantum non-locality, can be expected to not only give us a better insight into the information paradox of the black holes but also provides theoretical foundation for realizing ultra-distance quantum information communication.

目前，弯曲时空中的量子信息是量子信息科学研究的新热点之一，有着重要的学术价值和潜在的应用前景。本项目拟考虑相对论效应的量子场论为基础，结合前人运用单模近似处理相关问题的方法，构建非单模近似下弯曲时空中的物理模型，更加全面地探究黑洞弯曲时空背景下的量子信息，进行量子关联和量子纠缠、量子信息转移以及量子非定域性等相关问题研究并揭示其内在物理机制，有望为黑洞信息疑难问题提供新思路以及为基于量子非定域性的超远距离量子信息传输等物理过程实现提供理论依据。

目前，相对论框架下的量子信息是量子信息科学研究的新热点之一，有着重要的学术价值和潜在的应用前景。基于相对论框架下进行量子信息的研究，其理论模型大部分是运用了单模近似的简化方法。这种近似方法仅仅是相关问题的一个特例，并不是普适的情形，它虽能大大地简化理论模型，然而会使人们对相对论框架下量子信息的理解变得片面和局限。本项目主要开展了以下的研究工作并取得了一些重要的结果：（1）结合前人运用单模近似处理相关问题的方法，建构了黑洞弯曲时空背景下Dirac系统更为普适的非单模近似物理模型。并基于该模型，探究了弯曲时空背景下两比特系统量子纠缠、量子相干性、相干不确定关系以及非惯性系框架中的量子相干特性。揭示了基于非单模近似方法的相对论框架下Dirac系统的量子纠缠、量子相干性呈现的不同性质并解释了原因。（2）基于Schwarzschild时空，研究了两体Dirac系统量子关联的演化特性，从量子分辨的角度揭示了量子关联特性以及关联的分配和转移情况；解释了相对论框架下涉及噪声环境中的量子非定域性特性并提出了保护量子系统非定域性的可行方案。（3）基于Unruh-Dewitt探测器与标量场耦合模型的非惯性系框架，研究了多比特量子相干性的演化特性；揭示了盎鲁效应如何影响量子熵不确定关系并优化了该模型下熵不确定关系的下界。这些研究不仅全面完整地揭示Hawking辐射或盎鲁效应对量子态信息的影响以及相对论框架下信息的转移规律，而且也为相对论框架下超远距离量子信息传输等物理过程实现提供了理论依据。项目执行期间，在国际重要学术期刊上共发表相关SCI收录论文14篇。