【摘 要】
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作为下一次科技革命潜在的发起点,量子信息领域的发展有望为人类带来全新的科技进步和产业升级,也是各国竞相争夺的前沿科技高地。然而无论是量子计算、量子精密测量还是量子保密通信任务,在进一步的发展中都会遇到难以突破的环境退相干瓶颈。本质原因在于,物理体系都不是绝对封闭的,任何量子力学系统都应当被视为总是与周围环境耦合的开放系统。封闭系统下的量子信息处理方案往往是空中阁楼,一旦应用于实际任务,量子优势在环
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作为下一次科技革命潜在的发起点,量子信息领域的发展有望为人类带来全新的科技进步和产业升级,也是各国竞相争夺的前沿科技高地。然而无论是量子计算、量子精密测量还是量子保密通信任务,在进一步的发展中都会遇到难以突破的环境退相干瓶颈。本质原因在于,物理体系都不是绝对封闭的,任何量子力学系统都应当被视为总是与周围环境耦合的开放系统。封闭系统下的量子信息处理方案往往是空中阁楼,一旦应用于实际任务,量子优势在环境因素的干扰下则变得脆弱不堪。如何在开放环境下实现高精度的量子信息处理是实现量子优势乃至量子霸权的关键所在,于是对开放量子体系的研究就显得格外重要。因此,本学位论文选用开放量子体系作为主要研究主题,涉及开放量子体系的表征、控制和模拟三个方面的工作。主要包括如下内容:1.针对开放量子体系的表征问题,本论文基于量子通道设计,提出了任意阶,任意形式的热库关联函数的精准提取方案。理论上给出了完备的量子通道构建方法,并在实验上成功演示了三个典型的例子。同时在实验实施过程中发展了具有噪声鲁棒性的高阶关联测量通道。该工作的创新点在于:将广义量子通道的概念应用于量子传感器,首次实现了任意阶量子热库关联函数测量。该方法在未来的研究中有望给多体物理,以及强关联、非马尔可夫的开放量子体系提供强有力的研究工具。2.针对开放量子体系的控制问题,本论文发展了基于辅助体系提取探针态量子费希尔信息的方法,包括纯度损失和Loschmidt回波方法;并进一步实现了开放体系下量子探针态的反馈优化控制,达到了精密测量的量子增强。该工作的创新点在于:利用辅助体系实现了量子费希尔信息的快速表征,并将闭环反馈以及经典-量子杂化的控制思路应用到量子精密测量任务中。该方法对未来噪声环境下的大尺度纠缠探针态评估和制备有很高的实用价值,闭环的反馈控制手段对未来的量子控制领域的发展方向也有关键的启发意义。3.针对开放量子体系的模拟问题,本论文利用核自旋量子模拟器实现了自旋-玻色子开放体系上超辐射相变的模拟,且该超辐射模型并不是普通意义上的Dicke超辐射,而是超越了 No-go定理的超辐射相变方案。该工作的创新点在于:利用玻色子上的压缩/反压缩操作有效地调控量子相变点以及相变区间,将No-go定理禁止的超辐射相变条件重新改变到可实现的物理参数区间。该工作打破了 No-go定理对超辐射相变研究的限制,也成功将先进的量子控制手段应用到了开放体系的物理机制探索中。总的来说,本论文围绕开放量子体系,探索研究了量子表征、量子控制和量子模拟三个议题。相应的成果为发展退相干环境中的量子信息处理,探索多体强关联系统中的物理现象和机制提供了新的研究方法和思路,同时也基于开放量子体系的框架发展了强大的量子表征和控制手段。
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