量子关联动力学的理论研究

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量子信息与量子计算是涉及量子力学、信息科学和计算科学的一门交叉学科,其开端可追溯到上个世纪八十年代初。随后,量子算法、量子密码术与量子通讯等研究方向都取得了巨大的进展。值得强调的是,量子纠缠作为量子信息和量子计算中的重要资源和组成部分,业已吸引了众多物理学家的研究兴趣。曾经,量子纠缠被认为与量子关联相同,但现在越来越多的研究者认为量子纠缠仅是一种特殊的量子关联,并发现无纠缠的量子关联态仍能用来处理很多经典计算不能处理的问题。量子计算需要利用量子态的相干性,但在量子信息处理过程中,量子系统不可避免地会受到退相干的影响,从而使得量子的相干性遭到破坏,甚至消失。对量子退相干的研究将有助于我们更好地实现量子计算。再者,量子关联的动力学是指量子关联的时间演化问题,对它进行研究能让我们更好地理解量子关联以及量子信息处理中存在的问题。因此本文重点研究不同退相干环境下的量子关联动力学。主要包括以下内容:1.研究了自旋链环境下的量子关联动力学。其一,研究了与Ising自旋链相耦合的中心qubit-qubit的量子关联,其中量子关联用量子失协和几何的方法来度量。结果表明,在弱耦合时,量子失协和几何度量都能探测到Ising链的相变点。在相变点附近,演化过程会出现量子失协和经典关联的突变。另外,对某些初态,量子关联的几何度量会出现不随时间变化的现象。其二,进而考虑具有Dzyaloshinsky-Moriya(DM)相互作用的XY链,中心原子也设为qubit-qutrit系统,量子关联则用量子失协和测致扰动来度量。作为比较,同时也研究用来度量量子纠缠的负性演化。我们解析地计算出一类qubit-qutrit态的三种关联的演化形式。结果表明,以上三种关联中用量子失协来探测量子相变是最优的。且DM相互作用不改变XY链的相变点,但会加快量子关联的衰变。此外,当仅有qubit与自旋链耦合时,量子失协和经典关联之间会发生突变。在演化过程中,只有纠缠才会出现突然死亡。2.研究了不同的噪声环境下qutrit-qutrit系统量子关联的演化。计算过程中,用几何度量来表征量子关联。退相干信道分别选择位相衰变信道和极化衰变信道。首先,研究了一类束缚纠缠态的量子关联动力学。结果表明,位相噪声影响下量子的关联衰变速率比极化噪声时快。第二,研究了一类特殊态的演化。计算显示,该初态的量子关联在接近束缚纠缠态和自由纠缠态的分界处发生突变。在单体和多体局域极化噪声下,该突变点保持不变。在初态参数某些区域,量子关联的演化与初态参数无关。而在位相噪声中,此种现象在局域作用下不会发生,但是在集体作用下会出现。第三,进而研究了对上述的态进行局域操作的影响。结果发现,在极化噪声环境下,量子关联不发生改变。但是在位相噪声下,量子关联的衰变会变慢。第四,研究了类Werner态的相关行为。结果表明,在集体位相噪声和局域极化噪声作用下,量子关联会趋向不同的定值。
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