强耦合自旋-玻色系统的量子临界性和量子相干性

The spin-boson model describes two-level systems (qubits) interacting with adissipative environments modeled by continuum bosonic baths. There are currently considerable interests in these quantum many-body systems due to the rich physics of quantum criticality and decoherence, applied to the emerging field of quantum computations, quantum devices, and even quantum biology with the rapid progress of the modern science and technology. In this project, we will develop some non-perturbative, non-variational approaches without discretization of continuum bosonic mode. The microscopic quantum mechanical descriptions to the both quantum objects and environments are given self-consistently. The quantum criticality and coherence are studied within a high or systematically well-controlled accuracy. In the experimentally accessible strong coupling regime, we will study the evolution of population, quantum entanglement, and quantum discord. The relevant non-Markov effect will be also discussed. Some fundamental issues in quantum physics like spontaneously emissions and quantum Zeno effects will be also investigated. We will explain the existing experimental results and predict some new experimental phenomena. The proposal in the present research project is very fundamental in both quantum information and condensed matter physics, and is also closely related to the applications of quantum computation and quantum devices, therefore is very important in the fundamental research.

自旋-玻色模型描述二能级体系（量子比特）与连续玻色子库模拟的耗散环境的耦合系统。这种量子多体系统具有量子临界性和退相干等丰富的物理图像，可应用于随现代科学技术快速发展而层展的量子计算，量子器件甚至量子生物学等领域，近年来引起广泛的兴趣。本项目致力于发展研究这类模型的非微扰非变分的新方法，保留玻色子库的连续模式，自恰地给出量子客体和环境的微观量子力学描述，高精度地或者精度可系统控制地研究其量子临界性和量子相干性。 在实验可实现的强耦合区，研究布居数，量子纠缠， 量子失协的演化及其非马尔科夫效应。我们还将研究一些量子物理的基本问题，如自发辐射和量子Zeno 效应等。 并解释已有的实验，预计新的物理现象。本项目的研究内容既是当前量子信息和凝聚态物理的重要基础问题，又与量子计算和量子器件的应用紧密相关，因而具有重要的基础研究意义。

自旋-玻色模型是描述一个二能级系统与连续模式的耗散环境的耦合系统。它是量子光学、量子信息科学、以及量子开放系统等多个领域的一个典型范例模型。最近，自旋-玻色模型已经在超导量子比特与一维开放的传导线的超强耦合系统中实现。近年来该模型由于其量子临界性和量子相干性等丰富的物理内涵引起人们的广泛兴趣。在这个项目中，我们根据系统的结构特征，推导出一种正交平移Fock态方法， 其零级近似就是著名的Silbey-Harris 的极化子方案。我们二级修正就显著地改进了Silbey-Harris的结果。四阶以内的高阶修正几乎给出了基态物理量的收敛结果，可认为是严格解，进而描述亚欧姆谱模型的量子临界性。这种新方法很容易推广到多种耗散量子系统的静态和动力学系统。在数值方面，几乎所有的先进数值方法都用来研究这个模型的量子相变。我们发展了变分矩阵乘积态的严格方法，可以数值严格研究各向异性的自旋-玻色模型。在旋转波近似的自旋-玻色模型中发现了二级量子相变。因此以往的教科书上的基于总激发粒子数守恒描述的许多物理现象可能在强耦合情况下会失效。开放系统的动力学获得了长久关注。具有欧姆和亚欧姆库的动力学的研究一直具有挑战性。我们推广了基于Dirac-Frenkel 时间相关的变分原理的矩阵乘积态的高效的方法，数值严格地计算了从不同初态的系统的演化。 我们研究了几种基本物理问题，如量子相干性和量子测量的芝诺效应。结果发现以往的关于反转动波项对量子芝诺效应的影响的图像必须修正。 量子芝诺到反芝诺效应的转变在弱耦合下才会消失， 而在强耦合中这种转变还会出现。我们还研究了在在有限温度下的具有1/f噪音的量子开放系统的严格量子动力学。 这种噪音在超导磁通量子比特与环境的耦合中已被观察到。我们发现在短时尺度的连续测量中， 热涨落压制系统的衰变， 而在长时尺度会加强其衰变。我们还解析严格求解了有限自旋与单模双玻色子耦合系统， 除了其本身的重要性，也为进一步地研究多个量子比特的开放系统打下坚实的基础。