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量子信息科学是一门由量子力学和信息科学组成的交叉学科,主要研究的是通过微观体系的量子状态来表达量子信息,即能够人为操控、存储和传输量子状态。随着研究的深入,人们逐渐发现在实际的物理体系中,利用和操控量子态进而实现量子信息处理是极其困难的,主要的原因是,实际研究的物理系统不仅受到环境的影响,而且在通常情况下,无法通过薛定谔方程精确的得到它的演化规律。近年来随着量子信息与量子通信理论的发展,开放系统的研究成为一个重要方向。我们的研究工作也正是在这个方面展开的,这篇论文主要记录了本人在硕士研究生阶段的学习和研究的一些成果,文中的内容大致可以分为两个部分,第一部分是对这个领域的相关概念的介绍;第二部分是本人的学习研究工作的展示。
第一部分分为四章,第一章是绪论部分,这个部分主要介绍了量子纠缠[2]的起源、量子纠缠的制备和量子纠缠在量子信息科学中的应用,在对量子纠缠起源的介绍中包含了对EPR佯谬[3]和对薛定谔猫态[7]做了简要的阐述。
第二章所介绍是本文中我们的研究工作所要用到的基础,分成三个小部分进行介绍,第一个部分介绍了量子态的分类以及纯态的斯密特分解[8],第二部分介绍了纠缠态的判断,第三部分介绍了纠缠度的概念和定义,计算和使用方法。从以上的介绍,我们可知由于不同的纠缠度有着各自不同的特点,故对于研究问题的不同,我们要选择不同的纠缠度。在所介绍的纠缠度的定义中也包括了下文中我们的研究工作中所涉及的von-Neumann熵和负本征值(Negativity)。
第三章简要介绍了开放量子系统纠缠动力学的基本理论,主要简述了超算符的表示以及在马尔科夫近似下,用超算符方法对主方程的推导。
在第二部分中着重介绍了我们的两个工作,首先是对一个三能级的V型原子与光场相互作用系统的纠缠动力学的研究,主要是对所提出的模型的纠缠度的标度随时间的变化规律给出我们的分析和计算的结果,具体地说是在三能级原子与光场的相互作用系统中,我们利用原子的Von-Neumann熵随时间的演化来描述该系统的纠缠动力学特性。计算了当所研究系统处于不同的三个初态时,原子与光场之间的Von-Neumann熵随时间的变化,并且分析和讨论了此结果。
随后介绍了两个三能级的原子与光场的纠缠动力学,这里我们分别讨论了马尔科夫近似和非马尔科夫近似条件下,系统纠缠随时间的变化情况。其中在马尔科夫近似条件下用了主方程的方法对该系统进行求解,并通过该系统负本征值(Negativity)随时间的演化来描述系统的纠缠动力学特性。
在本论文的最后是对该论文和我们的研究工作的总结和展望,以及对本文的写作有重大指导帮助作用的人们的致谢,参考文献在末尾列出。