相变环境中退相干、退纠缠和量子压缩动力学演化的理论研究

本项目研究量子退相干、量子纠缠和压缩等量子信息论中的重要问题，并结合相变理论。量子纠缠与压缩有着密切关系，而退相干机制可以导致量子纠缠的消退以及量子压缩的改变。特别是当环境具有相变时，系统的纠缠以及压缩将有特殊的动力学行为。本项目是量子信息论与凝聚态理论的交叉领域研究，具有较新颖的研究视角和较宽的研究空间，拟计划研究内容主要包括：（1）在具有量子相变的环境中考察系统的退相干和退纠缠行为的特殊性，可反映环境的临界性质。考虑典型的一阶、二阶以及高阶相变系统作为环境。（2）研究量子压缩在量子相变环境中减弱、消失等动力学行为，并与纠缠的行为相比较探究二者之间的区别与联系。（3）考虑由环境诱导产生纠缠和压缩的过程，环境中的量子临界性质所起到的特殊作用。（4）研究热涨落驱动的有限温度相变环境中纠缠和压缩的动力学行为。

围绕该项目的研究内容及该领域的前沿问题，负责人及其合作者发表了系列成果，顺利完成了预定计划。研究主要包括相变环境中的退相干问题，以及量子纠缠、压缩、量子失协和量子Fisher信息的相关问题。项目执行期间，负责人及其合作者共发表10篇SCI论文，其中6篇为二区期刊。多次参加国内国际学术会议，并作报告。获2项地市级科研奖项，入选杭州市131人才计划，培养硕士研究生2名。基于该项目所得成果，作为负责人成功申请到2013年国家自然基金面上项目1项，并以第二排名参与申请到浙江省自然基金重点项目1项。作为子方向负责人，帮助所在团队成功申请到2013年首批杭州市创新团队。.主要成果包括：（一）发现量子相变点附近，系统的自旋压缩随时间单调衰减趋于零，无“再生”现象，而在其它区域会有明显振荡。固定时间参数，自旋压缩仅在临界区域内有明显的振荡。说明环境的量子涨落会强烈影响自旋压缩及相应的多体关联。该成果提出了利用附加系统的量子压缩来研究量子相变的方法。（二）研究了光场辅助的Landau-Zener（LZ）跃迁。光场初态为相干叠加态，在旋波近似下LZ跃迁概率随平均光子数单调增加。LZ跃迁过程会突然诱发系统与光场间的量子纠缠，并使光场出现亚泊松分布等非经典特性。而非旋波近似下会出现“两阶段”LZ跃迁，且LZ概率不再单调地依赖平均光子数。该成果给出一种利用辅助光场影响和调节LZ过程的方法。（三）利用级联方程的方法研究零温环境中的量子纠缠动力学。该方法无需旋转波、二级微扰及马尔科夫近似，是一种精确的数值计算方法。我们发现在某些条件下系统的稳态纠缠不再存在。这与以往的研究中利用旋波近似和单激发近似得到的结果有很大不同。（四）利用量子失协（quantum discord简：QD）刻画量子关联。考虑量子相变环境诱导产生QD的问题，可通过共同环境耦合来诱导产生QD，而环境中的量子涨落会使QD出现极值。对于具有次近邻相互作用的海森堡链，我们得到了两比特约化空间的QD的一般形式，适用于SU(2)及Z2对称性下的海森堡系统。QD与本征能级及其一阶导数有直接关系，而一级和多级量子相变会导致基态和第一激发态中QD的突变。（五）发展了量子 Fisher 信息的分发理论，仅关心量子态的统计意义的可分性，而不是将量子态的全部信息进行分发，从而实现不同状态中的同等精度的参数估计,这是对传统量子态分发理论的扩展和补充。