基于微波调控技术的量子非局域关联研究

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量子非局域性和量子关联是量子力学的两个独特的性质。作为两种不同的量子资源,在量子信息处理中扮演者十分重要的作用。到目前为止,在实验上已经利用纠缠光子对、原子的纠缠、囚禁离子的纠缠、原子与光子之间的纠缠、单个中子不同自由度之间的纠缠以及超导量子比特的纠缠等验证了量子非局域性(Bell不等式和无不等式形式的Hardy非局域性)。量子关联被认为是量子力学中一个比量子纠缠更基本的概念。量子关联是近年来的一个研究热点,吸引了很多研究者的兴趣。然而,在实际的条件下,量子系统不可避免的与周围的环境发生相互作用。这将导致量子系统发生退相干。因此,研究在退相干环境中量子关联的动力学是十分必要的。本文我们研究了在驱动腔系统(如电路量子电动力学系统)中基于量子非破坏性测量验证两体和三体量子非局域性以及在局域的退相干信道中两体量子态的量子关联的动力学。主要的研究内容如下:1.在驱动腔系统中,当二能级原子(量子比特)色散耦合于腔场且考虑原子与腔场之间所有的统计量子关联(即超越了平均场近似),通过探测驱动腔的稳态透射谱可以实现对腔内两个二能级原子的量子非破坏性测量,即透射谱中每一个透射峰标记相应的计算基态且透射峰的相对高度等于相应的计算基态在被探测态中的叠加几率。基于这类量子非破坏性测量,不需要惯常的量子态层析技术就可以确定制备的量子态的存在。利用这类测量可以确定局域的经典变量之间的非局域关联函数。因此,表征两体量子非局域性的Bell不等式和梯子型Hardy非局域性可以被有效地验证。2.作为两体量子非局域性验证的自然推广,基于驱动腔系统中三个二能级原子的量子非破坏性测量,对三种三比特量子态(GHZ态、W态和两体可分的三比特态),我们提出了验证三体量子非局域性(Mermin不等式和Svetlichny不等式)的实验上可行的方案。研究结果表明Mermin不等式可以被这三种量子态违背,但Svetlichny不等式只会被GHZ和W态违背。这意味着只有Svetlichny不等式才能表征真正的三体量子非局域性。因此,Svetlichny不等式的违背可以看作真正的三体纠缠存在的鲁棒的判据。3.研究了在三类局域的退相干信道(比特翻转、相位翻转和比特-相位翻转信道)中一类两比特量子态的几何量子关联的动力学。我们发现,在退相干信道中这类态的几何量子关联存在四种动力学行为:单调地衰减到零;单调衰减过程中存在一个突变点;单调衰减过程中存在两个突变点;先在有限的时间内保持不变然后再单调地衰减到零。同时可以发现没有几何量子关联的突然死亡发生。进一步地,建立了在这三类退相干信道中几何量子关联的演化所满足的因式分解定律。一旦给定了退相干信道的类型,不需要借助于初态本身,从这个定律可得几何量子关联演化的下界。4.研究了在五类局域的退相干信道(退相、相位翻转、bit/trit翻转、bit/trit相位翻转和退极化信道)中一类含有两个参数的qubit-qutrit态的经典关联、测量诱导扰动量化的量子关联和量子纠缠的动力学。我们发现,在一定条件下,经典关联保持不变或单调地衰减到零。测量诱导扰动存在三种动力学行为:单调地衰减到零;单调地衰减到一个非零的稳定值(即剩余量子关联存在);先从零单调地增加到最大值再单调地减小到零。与量子纠缠的突然死亡现象不同,经典关联和测量诱导扰动都不会出现突然死亡。以非惯性系框架下的情况为例,我们研究了由Unruh效应产生的一类qubit-qutrit态的测量诱导扰动及其在这五类局域的退相干信道中的动力学。我们发现,随着加速参数的增加测量诱导扰动而减小。在退相干信道中这类态的测量诱导扰动单调地衰减到零或者一个非零的稳定值。对相同的退相干参数,随着加速参数的增加测量诱导扰动而减小
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