噪声环境中失谐对量子演化速度和原子布居的影响

论文摘要

在量子计算和信息处理的研究中,诸如量子计量学中精确解的确定、物理系统计算极限的确定以及量子最优控制算法的发展等问题,量子初态以多快的速度演化到其目标态是至关重要的。为了描述量子态的最大演化速度,通常用量子速度极限时间来表征。所谓的量子速度极限时间就是量子初态演化到目标态所用的最小时间。量子系统演化得越快,量子信息处理得越快,反之越慢。近年来,如何实现量子态的演化加速问题越来越受到人们的青睐,并对其进行了深入的研究。量子体系如果可以被囚禁到某一状态,将其能量耗散到较低的状态,那么,在量子信息处理方面,对于激发态原子如何能达到更好囚禁的研究具有重要意义。对于不受噪声环境影响的量子系统,把它看成是封闭的,动力学演化是幺正的。然而,真实的量子系统都会受到噪声环境的影响,被看作是开放的,遵从非幺正开放系统动力学。因此,研究开放系统的量子加速是必要的。根据其性质可将噪声环境分为分为马尔科夫噪声环境和非马尔科夫噪声环境。在噪声环境中实现可控的量子演化加速是量子信息处理的一个基础性和关键性的研究课题。失谐作为量子物理中常见的量,对量子加速和原子布居囚禁影响有多大?这将是本文要探讨的问题。本文的物理模型是一个二能级原子和零温下的热库组成的系统,且原子与热库的中心频率是失谐的。假设原子初态为激发态,环境初态是真空态,且环境具有洛伦兹谱密度。根据谱宽λ和衰减系数γ0比值的不同,对应马尔科夫和非马尔科夫的情形,探究置于其中的二能级原子的量子速度极限时间和原子激发态布居受失谐的影响。研究发现,在马尔科夫情形下,失谐对量子态演化影响很小。然而,在非马尔科夫情形下,失谐会加速量子态的演化,并且环境的记忆效应越强加速越快,说明失谐和非马尔科夫效应都对量子演化加速有影响。进一步证明了失谐和非马尔科夫效应共同作用下更有利于量子加速。最后,探究了噪声环境中失谐对原子激发态布居的影响。同样地,根据λ与γ0比值的不同,分两种情形探究失谐对原子激发态布居的影响。通过分析得出,在马尔科夫情形下,原子激发态布居呈现指数型衰减,而且失谐对其影响很小。只有在非马尔科夫情况下,失谐越大,原子激发态布居才会被囚禁的越好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 量子力学的发展
•   1.2 量子系统演化问题
•   1.3 马尔科夫与非马尔科夫理论的由来
•   1.4 论文主要内容
• 第二章 基本理论
•   2.1 量子系统速度极限的基本理论
•     2.1.1 Mandelstam-Tamm限
•     2.1.2 Margolus-Levitin限
•   2.2 非马尔科夫动力学
•     2.2.1 马尔科夫主方程
•     2.2.2 非马尔科夫量子主方程
•     2.2.3 非马尔科夫性及其度量
• 第三章 噪声环境中失谐对二能级原子量子演化速度的影响
•   3.1 引言
•   3.2 模型与动力学
•   3.3 失谐对量子演化速度极限时间的影响
•     3.3.1 马尔科夫情形
•     3.3.2 非马尔科夫情形
•     3.3.3 失谐加速系统演化的物理机制
• 第四章 噪声环境中失谐对原子布居的影响
•   4.1 原子布居囚禁
•   4.2 马尔科夫情形
•   4.3 非马尔科夫情形
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张敏敏

导师: 杨雄

关键词: 量子系统演化,失谐,二能级原子系统,量子演化速度极限,原子布居

来源: 湖南师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 湖南师范大学

分类号: O413

总页数: 49

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