开放系统中熵不确定度关系的研究及其应用

Entropy uncertainty relation (EUR) plays an important role in the field of quantum measurement, entanglement measurement, and data compression. Real quantum systems unavoidably suffer from noisy environments, which leads to quantum decoherence, thus it is important to consider the effect of practical environment on EUR during quantum information processing. This project will investigate EUR and its applications in open systems. First, we will explore the evolutions of EUR in various open systems. To be explicit, we will explore the influence of noisy environment on EUR in single-qubit systems and EUR in the presence of quantum memory. Second, we will optimize the steering of EUR via different technologies involving quantum weak measurement and local operations. Third, we will explore its technical applications in quantum information processing including remote state preparation, entanglement verification and quantum key security analysis. Our efforts could provide important theoretical support for quantum information processing, information extraction and quantum precise measurement under open systems.

熵不确定度关系在量子测量、纠缠度量、数据压缩中承担着重要角色。由于量子系统不可避免的受到外界噪声环境的影响，产生量子退相干效应，因此在量子信息处理中考虑实际环境对熵不确定度关系的影响具有重要意义。本课题拟开展开放系统中熵不确定度关系及其应用的研究：1. 探索开放系统的熵不确定度关系演化规律。分别研究噪声环境对于单比特系统熵不确定度关系的影响，以及在量子存储支撑下熵不确定度关系的影响。2. 优化熵不确定度的调控。基于量子弱测量、局域操作等技术，探索熵不确定度关系的优化调控。3. 研究熵不确定度关系在远程态制备、纠缠验证、量子秘钥安全分析等量子信息处理中的应用。此课题的研究将进一步为开放系统的量子信息处理、信息提取及量子精密测量提供理论支持。

在研究周期内，项目负责人及团队成员合作完成了有关本项目的内容概括如下：1、探索了马尔科夫和非马尔科夫热库环境对于腔-原子-热库模型下的熵不确定度的动力学规律，揭示了环境在测量不确定度中扮演的角色。此外，通过局域操作，实现了测量不确定度的调控，找到了降低测量不确定度的有效手段。2、研究了不同类型噪声对于熵不确定度关系的影响机制，并实现不确定度的优化调控。3、系统得研究了固态自旋系统下不确定度的动力学演化。具体揭示了温度、自旋间的耦合强度、外加磁场对于测量不确定度的影响。4、探索了不同物理体系下的量子关联。我们与高能实验组合作，探索了中微子振荡的量子非定域性、量子相干的非定域优势和量子导引。为可能的基于中微子振荡长距离通讯和信息处理奠定了一定的理论基础。5、基于全光的实验平台，实验验证了熵不确定度关系以及相干的不确定度关系。此研究将进一步加深人们对量子测量不确定度的认识和理解。在该项目基金的支持下，项目负责人与团队成员合作发表SCI论文24篇，其中《European Physical Journal C》1篇，《Physical Review A》4篇，“ESI高被引论文”1篇，申请人受邀在德国Annalen der Physik发表关于熵不确定关系的综述论文，以第二完成人获2019安徽省自然科学奖励三等奖。总体来说，较好地完成了预期的目标。