非平衡环境下开放量子系统动力学及相关问题的研究

Nonequilibrium environment is one of the common and natural dissipative factors in the application of quantum system. With the development of quantum information, the dynamics of open system in the nonequilibrium environment attract more and more attentions. In this project, aiming at the application of quantum information technology, we systematacially study the dynamical and steady properties of open quantum system in the nonequilibrium environment. First, we study the generation of steady entanglement, in particular the multipartite steady entanglement and make clear the relations between the generated steady entanglement, the differences of temperatures as well as the interaction strength in various forms of interactions. Secondly, we study effects of the combination of different types of environments on the system's dynamics and reveal that of hybrid environment involving the nonequilibrium environment on the dynamical and steady properties of open system. Thirdly, we explore the non-Markovian dynamics in the nonequilibrium environment and try to generalize the theory of pseudomode master equation to the nonequilibrium environment. Then, by means of this method, we study the non-Markovian effect in the strong coupling regime of system and thermal bath and the effect on the thermodynamics of the system. In the end, we study the control strategies on the open system dynamics in the nonequilibrium environment. Through manipulating the system and the environment, respectively, we enhance the degree of steady entanglement and achieve different forms of multipartite entanglement.

非平衡环境是量子系统在应用中所遇到的最普遍和最自然的耗散因素之一，随着量子信息的发展非平衡环境下开放系统的动力学性质引起了越来越多的关注。本项目以量子信息技术的应用为目标，系统地研究非平衡环境下开放量子系统的动力学和稳态性质。首先，研究非平衡条件下稳态纠缠，特别是多体稳态纠缠的产生，明确不同相互作用方式下产生的稳态纠缠与热源温度差和相互作用强度的关系。其次，研究不同类型环境的组合对系统动力学的影响，揭示在有非平衡热环境参与下的杂化环境对开放系统动力学和稳态性质的影响。第三，探索非平衡环境下系统的非马尔科夫动力学，尝试把赝模主方程理论推广到非平衡环境下，进而利用该方法研究系统-热库在强耦合下的非马尔科夫效应和对系统热力学性质的影响。最后，研究对非平衡环境下开放系统动力的操控策略，分别从对系统和环境操控的角度提高稳态纠缠度以及获得不同的多体纠缠形式。

环境噪声问题是阻碍量子信息技术应用的主要因素之一，在实际问题中，量子系统往往受到几个具有不同温度的独立环境的影响，非平衡条件下系统的动力学性质需要进一步的研究和探索。本项目系统地研究了非平衡环境下开放量子系统的动力学和稳态性质，以及与之相关的其他方面内容。首先，研究了非平衡条件下系统的稳态纠缠。考察了具有相互作用的两个量子比特分别与两个具有不同温度的共同热环境，以及共同和独立热环境构成的联合环境作用时，各种参量对系统稳态纠缠的影响，特别指出了能够提升稳态纠缠的参量范围和方法。利用碰撞模型，研究了系统-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。其次，研究了杂化环境对开放量子系统动力学和稳态性质的影响。我们通过对处于单模腔中的两个原子施加外部经典驱动场，提出了一个控制量子系统纠缠动力学的方案。研究了量子比特在分层级环境中的动力学性质，实现了量子系统动力学从马尔科夫到非马尔科夫过程的转换，从无加速演化到有加速研究的转换。第三，研究了非马尔科夫效应与量子热力学。揭示了环境温度对系统非马尔科夫性的影响，提出了兰德尔(Landauer)原理在非马尔科夫过程下的成立条件。最后，我们还开展了纠缠光子波动性和粒子性的同时观测、光学传感以及鬼成像方面的理论和实验研究。这些内容的研究不仅具有重要的理论意义，而且能够为量子技术的发展提供参考。