小分子动力学演化量子速度极限的代数理论

With the development of quantum information science and laser technology, dynamical evolutions of quantum system become exceedingly short-timed evolutions, such as quantum-classical transition, decoherence and quantum control processes. Those advances bring along a practical applicability for the quantum speed limit and the problem has become the focus topic in the current frontier field. Algebraic theoretical researches on quantum speed limit of dynamical evolution in small molecules have been proposed. The different measures of quantum speed limit can be derived by the algebraic approach. The initial-state dependence of quantum speed limit in different molecules can be analyzed and the proper measure for molecules is obtained. The correlation between quantum limit speed and quantum entanglement, quantum control in realistic molecular vibrations are explored, the role of the entanglement among subsystems in the dynamics of composite systems are discussed, then the decoherence time can be estimated. The optimal control scheme of the molecular vibrations and entanlement can be achieved by using the results of the quantum speed limit time in molecules. The researches can provide theoretical supports to the experimental achievements of quantum computation and quantum control based on the realistic molecular systems.

随着量子信息科学技术和激光技术的迅速发展，量子体系的许多动力学演化过程均与超快演化过程相关，如量子-经典转换、退相干过程和量子调控过程等，从而引出了量子速度极限的实用价值，成为当前科学前沿热点研究问题，然而目前对其研究大部分集中在理论模型，对实际分子探讨极少。本项目拟基于分子的代数模型对小分子体系动力学演化量子速度极限问题进行理论上的研究和探讨：采用多种度量方式，分析不同分子体系各种类型初态下量子速度极限时间的变化规律，寻找适合描述分子体系演化的量子速度极限度量方式；探讨分子振转量子纠缠与量子速度极限的关联，分析子系统间的纠缠在分子这类多体体系动力学演化中的作用，预估不同分子体系内部退相干时间；通过分析不同分子在不同激光场下演化中的量子速度极限时间给出实现分子振转态选择激发的最快调控方案，进而分析能够实现纠缠调控的分子体系，为基于分子体系的量子计算与量子调控实验提供理论支持。

量子速度极限起源于量子力学基本原理，它给出量子系统演化的最大速度或最短时间，在量子信息、量子通讯和量子控制方面都有潜在的应用价值，其实用性研究也关系到更高效量子技术的实现。本项目采用代数方法对不同分子体系演化中的量子速度极限问题进行了研究，探讨了不同初态和不同类型的分子对量子速度极限度量的影响，分析了分子振动两体纠缠和三体纠缠分别与量子速度极限的关联，计算了分子态选择激发控制中的量子速度极限时间。研究发现初始态为纯态的情况下，各类型分子体系演化的量子速度极限在量子Fisher信息度量下的紧致性更好；随着体系初态量子数的增加，体系的实际演化路径相对最短路径偏离越大，振动频率大且非谐性强的分子此现象更显著；分子间的振动纠缠对体系演化速度有增强作用，对于伸缩弯曲振动耦合较大的分子，强的弯曲振动激发会增加三体纠缠的产生率从而促进分子体系的演化。研究还发现在双原子分子态激发控制中，单从体系演化速度极限考虑，非谐参数小的分子更有利于实现高激发态选择跃迁。本项目研究成果不仅是对代数方法的创新应用推广，也为基于实际分子振动的量子计算及振动激发控制提供了理论依据和实验支持。