【摘 要】
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量子纠缠是量子物理区别于经典物理的新奇特性,它是现代量子工程发展和应用的基本资源,如何度量、调控和制备纠缠是当前量子信息科学的重要课题。近年来研究者提出了电子自旋、半导体量子点和腔量子电动力学等系统来制备纠缠态,本文将探索采用周期性调控手段来制备纠缠态。另外,环境不可避免地对系统的影响导致系统的退相干效应在很大程度上制约了量子纠缠的制备,也制约了相关的量子工程处理方案的实现。本文将探索周期性驱动对
【基金项目】
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国家自然科学基金委基金项目(编号11875150和11474139)
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量子纠缠是量子物理区别于经典物理的新奇特性,它是现代量子工程发展和应用的基本资源,如何度量、调控和制备纠缠是当前量子信息科学的重要课题。近年来研究者提出了电子自旋、半导体量子点和腔量子电动力学等系统来制备纠缠态,本文将探索采用周期性调控手段来制备纠缠态。另外,环境不可避免地对系统的影响导致系统的退相干效应在很大程度上制约了量子纠缠的制备,也制约了相关的量子工程处理方案的实现。本文将探索周期性驱动对开放量子系统的积极调控作用。首先,我们研究了外场驱动的量子Rabi模型的能谱特征以及其对应的本征态的纠缠属性。在旋波近似下,借助于微扰理论我们发现,由于外场的扰动使得原来简并的能级发生分裂,即能级避免交叉。对应点的冯诺依曼熵出现有趣的纠缠共振特征,且其变化取决于光场与原子的耦合强度和驱动幅度,其本质与该模型的能谱结构有关。接着,我们用数值方法探讨了量子化光场和静态驱动的两能级系统相互作用系统的纠缠特征,即非对称量子Rabi模型中的纠缠共振现象。随着光子-原子耦合强度的增加,出现了有趣的纠缠共振谷,并随着驱动振幅的增加而出现峰值。结果表明,这两种纠缠共振都是由相关特征能量的能级避免交叉引起的。与量子Rabi模型形成鲜明对比的是,除驱动振幅等于光场频率的半整数倍外,非对称量子Rabi模型在强耦合区域的纠缠度突降为零。我们的分析表明,这种纠缠的再现由非对称量子Rabi模型的隐藏对称性导致。我们的研究结果将有助于探索光与物质耦合系统中的隐藏对称性和光子-原子的纠缠制备。进一步我们探讨了周期性驱动Rabi模型的纠缠制备。通过对系统施加周期性的驱动场以制备纠缠。自治量子系统的哈密顿量具有确定能量本征值,若系统处于该本征态则系统的任何性质都不会随时间发生变化。由此可通过调节系统的参数使系统的本征态处于纠缠状态,以此来制备纠缠态。本文将上述方案推广到周期性驱动的量子系统,通过对系统施加周期性的驱动场以制备纠缠。依据Floquet理论周期性系统会存在一组正交完备的瞬时基矢(Floquet态)。Floquet态及其对应的本征值在非自治量子系统中起着与能量本征态和本征能量在自治量子系统中相同的作用。与自治量子系统中的纠缠制备方案相同,通过调节系统参数使某个或几个Floquet态在整个驱动周期内都保持纠缠,将系统制备到该态上,随着时间的演化系统将始终保持其所具有的纠缠。周期性驱动诱导的准能级避免交叉及其所导致的纠缠共振对量子系统的纠缠制备提供了重要的技术方案。其次,我们研究了周期性驱动光晶格对制备超冷原子纠缠的有效作用。光晶格是由一束或者几束激光交叉形成的空间周期势,其最大的优势是可控性,通过调整激光的波长、偏振、位置布局等便可改变光势阱的形状、对称性以及原子间的相互作用强度等。我们将周期性调控光晶格系统探讨光学势阱中粒子的纠缠特征,通过周期性地驱动势阱中粒子之间的相互作用,分析系统纠缠共振现象,讨论不同调控参数下系统的纠缠熵及其与能谱避免交叉的内在关系。分析表明多粒子系统的平均纠缠熵对系统量子相变、量子涨落等具有较好的表征作用,周期性驱动方式有效调控系统的纠缠特征,这为研究多粒子量子系统的纠缠特征提供了有效的理论基础。最后,我们研究了周期性的外场驱动对开放系统的退相干效应的抑制作用。通过对二能级原子与玻色环境组成的复合系统的周期性调制,发现当系统与环境组成的复合系统准能谱中形成束缚态时,系统的动力学演化发生明显改变,通过刻画系统的动力学演化时间极限与Floquet准能谱中形成的束缚态之间的对应关系,发现对于二能级系统与其环境组成的总系统的Floquet准能谱中束缚态的形成对量子加速的出现具有决定作用。研究发现当系统没有形成束缚态时,系统演化的相对量子速度极限会渐进地收敛到一个不为零的有限值,说明系统的量子加速能力有限;一旦系统的准能谱中有束缚态形成,相对量子速度极限将在一定时间内趋近于零,这说明系统有很强的加速潜质。这些研究成果将有助于实验上更灵活地实现开放量子系统的计算加速,也为非平衡态的研究提供了启示。通过对周期性驱动这一有效的量子调控手段的系统研究,我们发现的周期性驱动诱导的准能级避免交叉及其所导致的纠缠共振对量子系统的纠缠制备具有积极意义;我们发现的周期性驱动诱导的Floquet准能谱中束缚态的形成对开放系统的量子加速具有决定作用,不仅为量子加速在实验中的实现提供了理论指导,更有助于丰富我们对非平衡态统计物理的认识。
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