多重环境影响下的开放量子系统动力学与操控

The interaction between a system and a single environment is the conventional model in studying the dynamics of an open quantum system. However, with applications of open systems as physical resources in quantum information, the dynamics of a system being simultaneously influenced directly or indirectly by multiple environments have attracted ever-increasing attentions. In this project, we study the dynamics and manipulation of an open system in the presence of multiple environments. Firstly, we consider hierarchical environments, namely, the system only interacts directly with the first hierarchy of the environments which is in turn affected by the other ones. Focusing on environments with different decoherence mechanisms, we study the transformations between Markovian and non-Markovian dynamics, the relations of non-Markovianity with the number of contributed environments and the occurrence mechanism of non-Markovianity. Secondly, we study the trigger of non-Markovian dynamics by couplings between multiple environments and the relations of coupling strength with non-Markovianity. Moreover, we try to explain the influence mechanism of environmental couplings on the open system dynamics. Thirdly, we investigate the effects of different initial correlations among multiple environments on the system’s dynamics. We discuss peculiar behaviors of open system when the environments initially posses quantum correlations, classical correlations as well as have no any correlations. In the end, we explore the controls of system’s dynamics and quantum information transfer by means of quantum weak measurement plus reversal measurement to achieve efficient protections of quantum coherence and entanglement in multiple environments.

系统与单个环境作用是研究开放量子系统动力学的一般模型，但随着开放系统作为物理资源在量子信息中的应用，系统同时直接或间接处在多个环境影响下的动力学逐渐受到关注，本项目研究多重环境下系统的动力学与操控。首先考虑分层环境，即系统仅与第一层环境直接作用，而该环境又受到其他环境的影响。针对不同退相干机制，分别研究系统马尔科夫/非马尔科夫动力学的转变，探索非马尔科夫性(non-Markovianity)与环境个数的关系及产生机制。其次，研究多重环境间的耦合对系统非马尔科夫动力学的激发及耦合强度与系统非马尔科夫性的关系，尝试解释环境耦合对系统动力学的影响机制。第三，研究多重环境间不同初始关联形式对系统动力学的影响，探讨环境初始具备量子关联、经典关联及无关联时系统不同的动力学特性。最后，研究利用量子弱测量加反转测量对系统动力学及量子信息传输的操控，实现在多重环境下保护量子相干和量子纠缠的目的。

揭示开放量子系统在多重环境下的动力学，不仅具有重要的理论意义，而且有助于设计有效的调控方案，实现量子信息资源在实际中的应用。非马尔科夫动力学由于能够使量子资源在衰减中部分恢复，因此对其产生机制和影响因素的研究具有潜在的应用价值。对非马尔科夫过程的理论模拟是一个尚未完全解决的问题，一种近似但简单可行的描述是碰撞模型方法，它把环境看作辅助粒子链，通过引入环境粒子间的碰撞，可以实现对特定情形下非马尔科夫过程的模拟。近年来，量子信息的发展及其与热力学的结合使量子热力学引起了人们的广泛关注，它一方面提供了一种探索微观世界的新方法，另一方面提供了从微观层面检测经典热力学定律的可能性。在此背景下，我们进行了如下研究。(i) 研究了非马尔科夫性的产生机制及影响因素，得到了它与环境个数和环境温度的关系；(ii) 研究了多重环境下的量子热力学及热量子机器。揭示了各种参量对热流大小和方向的调控，设计了热整流装置。重新研究了强相互作用下的最小尺寸制冷机，提出了分布式量子热机模型；(iii) 研究了非马尔科夫性/系统-环境关联对系统动力学和热力学的影响，利用碰撞模型揭示了系统-环境关联在瞬态和稳态两种情形下对热传输和量子纠缠的影响，得到了兰德尔(Landauer)原理在非马尔科夫过程下的成立条件；(iv)研究了对系统量子相干性和量子纠缠的调控和保护，提出了利用共同热库对相互作用qubits系统纠缠动力学和稳态纠缠的提升方案，提出了利用耦合腔实现对量子相干性和量子纠缠的保护；(v) 研究了波粒二象性的同时观测，实验上验证了双光子波-粒纠缠态的存在。这些研究加深了人们对非马尔科夫动力学、量子热力学和量子力学基本理论的理解，有助于量子信息技术在热环境下的执行和热量子器件的研制。