強耦合自旋-玻色系統的量子臨界性和量子相干性

《強耦合自旋-玻色系統的量子臨界性和量子相干性》是依託浙江大學，由陳慶虎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強耦合自旋-玻色系統的量子臨界性和量子相干性
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：陳慶虎
• 項目類別：面上項目

項目摘要

自旋-玻色模型描述二能級體系（量子比特）與連續玻色子庫模擬的耗散環境的耦合系統。這種量子多體系統具有量子臨界性和退相干等豐富的物理圖像，可套用於隨現代科學技術快速發展而層展的量子計算，量子器件甚至量子生物學等領域，近年來引起廣泛的興趣。本項目致力於發展研究這類模型的非微擾非變分的新方法，保留玻色子庫的連續模式，自恰地給出量子客體和環境的微觀量子力學描述，高精度地或者精度可系統控制地研究其量子臨界性和量子相干性。 在實驗可實現的強耦合區，研究布居數，量子糾纏， 量子失協的演化及其非馬爾科夫效應。我們還將研究一些量子物理的基本問題，如自發輻射和量子Zeno 效應等。 並解釋已有的實驗，預計新的物理現象。本項目的研究內容既是當前量子信息和凝聚態物理的重要基礎問題，又與量子計算和量子器件的套用緊密相關，因而具有重要的基礎研究意義。

結題摘要

自旋-玻色模型是描述一個二能級系統與連續模式的耗散環境的耦合系統。它是量子光學、量子信息科學、以及量子開放系統等多個領域的一個典型範例模型。最近，自旋-玻色模型已經在超導量子比特與一維開放的傳導線的超強耦合系統中實現。近年來該模型由於其量子臨界性和量子相干性等豐富的物理內涵引起人們的廣泛興趣。在這個項目中，我們根據系統的結構特徵，推導出一種正交平移Fock態方法， 其零級近似就是著名的Silbey-Harris 的極化子方案。我們二級修正就顯著地改進了Silbey-Harris的結果。四階以內的高階修正幾乎給出了基態物理量的收斂結果，可認為是嚴格解，進而描述亞歐姆譜模型的量子臨界性。這種新方法很容易推廣到多種耗散量子系統的靜態和動力學系統。在數值方面，幾乎所有的先進數值方法都用來研究這個模型的量子相變。我們發展了變分矩陣乘積態的嚴格方法，可以數值嚴格研究各向異性的自旋-玻色模型。在旋轉波近似的自旋-玻色模型中發現了二級量子相變。因此以往的教科書上的基於總激發粒子數守恆描述的許多物理現象可能在強耦合情況下會失效。開放系統的動力學獲得了長久關注。具有歐姆和亞歐姆庫的動力學的研究一直具有挑戰性。我們推廣了基於Dirac-Frenkel 時間相關的變分原理的矩陣乘積態的高效的方法，數值嚴格地計算了從不同初態的系統的演化。 我們研究了幾種基本物理問題，如量子相干性和量子測量的芝諾效應。結果發現以往的關於反轉動波項對量子芝諾效應的影響的圖像必須修正。 量子芝諾到反芝諾效應的轉變在弱耦合下才會消失， 而在強耦合中這種轉變還會出現。我們還研究了在在有限溫度下的具有1/f噪音的量子開放系統的嚴格量子動力學。 這種噪音在超導磁通量子比特與環境的耦合中已被觀察到。我們發現在短時尺度的連續測量中， 熱漲落壓制系統的衰變， 而在長時尺度會加強其衰變。我們還解析嚴格求解了有限自旋與單模雙玻色子耦合系統， 除了其本身的重要性，也為進一步地研究多個量子比特的開放系統打下堅實的基礎。