基于测量的量子干涉强弱的度量及其应用研究

The study of quantum interference is an important aspect in the field of quantum physics and its applications. Previous studies have shown that quantum interference plays a significant role in many multi-level systems, and this progress promotes the quantitative studies on the quantum interference in multi-level ｓystems. But the fringe visibility, usually used to measure the strength of interference, is not suitable for measuring the strength of the interference in the systems which are more complicated than two-path or two-level interferometer. This project aims to define ａ measure of the strength of interference based on measurement and coherence of quantum state, and to investigate the rationality and universality about this measure through the interference of some important physical systems including quantum computer. Based on this measure, the role of interference in some important physical problems will be quantitatively clarified, such as the role of interference in the speedup of quantum computation, the quantum chaos system and light-harvesting complexes. Furthermore, the macroscopic quantum superpositions will be quantified by this measure. Through this project, a universal measure of the strength of quantum interference will be achieved, which is the basis for clarifying the quantitative role of interference in　multi-level system. The clarification of the quantitative role of interference in systems including quantum computer can lay the foundation for further theoretical and experimental studies. A quantitative measure of macroscopic quantum superposition will also be realized from the point of view of the strength of interference, which is the basis for the study of whether can macroscopic system be superpositioned in two or more macroscopically distinct states．

量子干涉是量子物理及其应用领域的重要研究内容。已有的研究表明在很多多能级体系中量子干涉都起着关键作用，这促使对多能级体系的量子干涉进行定量研究，但是通常描述量子干涉强弱的条纹可见度并不适用于比两路径或两能级干涉仪更复杂的体系。本申请项目拟以测量和量子态的相干性为基础定义量子干涉强弱的度量，通过研究包括量子计算机在内的重要体系的量子干涉确定该度量的合理性和普适性，利用该干涉强弱度量定量研究量子干涉在量子计算、量子混沌以及捕光复合物中的作用，以及利用该干涉强弱度量研究宏观量子叠加的量化方案。通过本申请项目获得量子干涉强弱的普适度量，为阐明干涉在多能级体系中的定量作用奠定基础；阐明干涉在量子计算机等重要体系中的定量作用，为进一步的理论与实验研究奠定基础；从量子干涉强弱的角度获得宏观量子叠加的量化方案，为研究宏观体系是否具有宏观可区分态的相干叠加态奠定基础。

干涉是量子物理及其应用领域的重要研究内容：在多能级体系中量子干涉起着关键作用，这促使对多能级体系的量子干涉进行定量研究，但是通常描述量子干涉强弱的条纹可见度并不适用于对多能级体系的量子干涉强弱的度量。本项目通过对系统的连续测量给出了多能级系统干涉性的度量，将此量子干涉度量应用到量子计算机、量子相变系统、量子混沌系统、宏观量子系统以及量子热机系统中，研究了量子干涉在这些系统中的重要作用。我们的研究发现包括：（1）给出了量子态叠加性的统一定义，我们首次提出量子干涉是依赖于环境对系统的测量过程，并将量子干涉强弱定义为量子态纯度随时间变化率负值的一半。从操作的角度我们将量子叠加性定义为量子态在环境中表现出的干涉性，即量子叠加性可以用量子干涉进行度量。（2） 在量子相变点热涨落对量子干涉的影响最强烈，量子干涉关于耦合常数的导数在相变过程中会出现剧烈的变化，即经过相变点该导数为无穷大，该无穷大的导数会被热涨落压制，这种压制是源自于多粒子激发。（3）给出了光合作用热机中符合量子热力学标准的功和热的定义，应用功和热的定义研究了两类增强热机性能的方案，即通过fano干涉（方案A）或通过两个电子供体的偶极-偶极相互作用（方案B）增强热机性能，在方案A中光合作用热机功率及其电流-电压特性可以通过fano干涉增强其性能，但是光合作用热机的效率并不能通过fano干涉增强，在方案B中光合作用热机的所有性能（包括：热机功率、热机效率及其电流-电压特性）都不能通过两个电子供体的偶极-偶极相互作用（方案B）增强。（4）比较了由Weimer等提出的和由Dorfman等提出的两类量子热机功的定义，在量子生物热机中引入了可以说明电子可逆传输的电子供体和接受体之间的相干相互作用，两类功的定义会引起不一样的结果。（5）我们提出区分热力学功和热的标准，给出了两类热力学功和热的定义及其一致性条件，获得了以辐射场与两能级原子相互作用的模型中辐射场作为功库和热库的条件。