与引力量子真空涨落耦合的开放量子系统的动力学演化

Any real quantum system is inevitably affected by the environment it coupled to. A direct consequence of the quantization of gravitational field is the quantum fluctuations of spacetime. Such quantum fluctuations serve as the most general and fundamental source of environmental influence, which may cause gravitational decoherence and dissipation on the one hand, while on the other hand, they may also create quantum entanglement between subsystems due to the indirect interactions provided by the common bath they immersed in. In this work, we plan to study the average rate of change of the atomic energy, the energy shift, and the quantum entanglement of polarizable quantum systems based on the theory of open quantum systems and the linearized quantum gravity. This study may provide a better insight into the basic properties of the quantum fluctuations of spacetime.

任何真实量子系统都会受到与其耦合的环境的影响。如果引力场能够被量子化，一个最直接的结果就是时空的量子涨落。引力量子化所预言的时空量子涨落是一种最为基本和普遍的环境，任何量子系统都不可避免地与其发生相互作用。一方面，这种相互作用会造成引力退相干和耗散；另一方面，涨落引力场可以为没有直接相互作用的量子系统提供间接相互作用，在某些特定情况下也可能使子系统之间产生量子纠缠。本项目拟利用开放量子系统理论结合线性化量子引力理论，从开放量子系统的平均能量变化率、能级移动、量子纠缠等不同角度来研究时空涨落对开放量子系统的影响。本研究有助于我们进一步认识时空量子涨落的基本性质。

引力的量子化是当今物理学最具吸引力和挑战性的问题之一。尽管一个完整的量子引力理论尚未建立，我们仍然可以利用线性化量子引力理论来研究低能量子引力效应，以及利用弯曲时空量子场论来研究引力场对量子系统的影响。本项目围绕低能量子引力效应、弯曲时空和非惯性系的量子纠缠动力学、类比引力系统三个方面开展研究，取得了以下主要结果：我们研究了与引力量子真空涨落耦合的两原子系统的量子纠缠动力学，得到了产生量子纠缠的条件；我们研究了存在引力波时，两个物体之间的量子引力相互作用势能，发现这种相互作用的吸引和排斥取决于外部引力场的传播方向、偏振和频率；我们研究了平直时空非惯性运动原子和宇宙弦时空静止原子的量子纠缠动力学，发现原子的非惯性运动和时空的非平凡拓扑性质对量子纠缠动力学有重要影响；我们研究了环境热辐射对非线性介质中量子光锥涨落的影响，发现即使在室温环境，热涨落对探测光传播时间涨落的贡献仍小于真空涨落的贡献。本研究有助于我们进一步认识时空的量子性质。