含能流的橫磁場(chǎng)中各向同性XY自旋鏈在有限溫度下的熱糾纏研究

劉　丹，張金巖

(1.大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116605；

2.鞍山市第八中學(xué)，遼寧 鞍山 114031)

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含能流的橫磁場(chǎng)中各向同性XY自旋鏈在有限溫度下的熱糾纏研究

劉丹1，張金巖2

(1.大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116605；

2.鞍山市第八中學(xué)，遼寧 鞍山 114031)

摘要：利用拉氏乘子法構(gòu)建能流算符，使用多體熵積度量方案計(jì)算了三比特系統(tǒng)在溫度為零時(shí)的糾纏和有限溫度下的熱糾纏性質(zhì)；根據(jù)拉氏乘子的不同區(qū)間分析熱糾纏隨溫度、磁場(chǎng)的變化關(guān)系，研究了橫磁場(chǎng)中各向同性XY自旋鏈在能量流影響下的能譜。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)自旋鏈中沒有能量流時(shí)，自旋鏈的極大糾纏為0.46；而當(dāng)拉氏乘子大于零時(shí)，自旋鏈中出現(xiàn)能量流動(dòng)，導(dǎo)致體系的熱糾纏增加，熱糾纏極大值可達(dá)到0.92。自旋鏈中的能量流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致體系的熱糾纏增加。當(dāng)體系處于能流相時(shí)，橫磁場(chǎng)越大，得到的熱糾纏就越大。能流的增加，則會(huì)導(dǎo)致體系更容易在較低溫度獲得較大糾纏。

關(guān)鍵詞：熱糾纏；自旋鏈；能流；橫磁場(chǎng)

量子糾纏特性研究是量子通信、量子計(jì)算等應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，對(duì)于量子多體系統(tǒng)的描述和理解具有十分重要的作用，已成為目前世界范圍內(nèi)重要的研究課題之一。科學(xué)家預(yù)測(cè)，基于量子多體糾纏理論構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)可顯著提高經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，并可為量子通信提供更加安全的通信方法。目前，在量子糾纏特性的研究上已衍伸發(fā)展出了許多具體應(yīng)用方向，如量子密鑰分配[1-2]、量子機(jī)密共享[3-4]、量子密集編碼[5]、量子安全直接通信[6-8]等。近年來，人們對(duì)兩體量子態(tài)的糾纏[9-12]以及各種類型的多體糾纏態(tài)[13-17]已進(jìn)行了廣泛的研究。結(jié)果表明，一維量子自旋系統(tǒng)可作為量子糾纏制備、傳遞的載體，具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。人們?cè)诹孔有畔⒌姆懂爟?nèi)對(duì)具有各種相互作用的自旋鏈模型已做了大量分析和討論[18-24]，但對(duì)處于有限溫度和外加磁場(chǎng)下的各種以海森堡相互作用耦合的多比特自旋鏈的糾纏[25-30]的理論研究還有待深入。一維量子自旋系統(tǒng)反映了許多關(guān)于量子本質(zhì)的有趣現(xiàn)象，近年來成為理論和實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)研究內(nèi)容之一。筆者已對(duì)橫磁場(chǎng)中各向同性XY自旋鏈的能譜和溫度為零時(shí)的基態(tài)糾纏[23]進(jìn)行了分析，并對(duì)自旋鏈中引入能量流時(shí)，能流對(duì)溫度為零時(shí)體系基態(tài)糾纏的影響進(jìn)行了討論[19]。但在實(shí)際量子糾纏的制備和輸運(yùn)過程中，溫度為零的體系狀態(tài)過于理想，因此，有必要對(duì)體系在有限溫度T下系統(tǒng)的熱糾纏性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究。

本文在有限溫度條件下，使用多體熵積度量方案[31]，研究了含有能流的橫磁場(chǎng)中的三比特各向同性XY自旋鏈的熱糾纏問題。分析了含有能流的三比特XY鏈的有效哈密頓量的能譜，系統(tǒng)在有限溫度下的熱糾纏，能量流、磁場(chǎng)對(duì)熱糾纏的影響等體系的糾纏問題。

1含能流的各向同性XY自旋鏈模型

沿z方向橫磁場(chǎng)中的各向同性XY自旋鏈的哈密頓量有如下形式：

(1)

在這個(gè)XY模型中，系統(tǒng)的總能量應(yīng)守恒。因此，使用文獻(xiàn)[24]中的方法構(gòu)建能流算符。由于局域能流的局域能量滿足連續(xù)性方程，因此可將宏觀能流表示為所有局域能流之和。

(2)

宏觀能流與哈密頓量對(duì)易，即[HXY,JE]=0，可用拉氏乘子法將能流算符JE加到系統(tǒng)哈密頓量上構(gòu)建出如下等效哈密頓量：

HE=HXY-λJE。

(3)

不失一般性，可考慮h≥0，λ≥0。因此，等效哈密頓量HE的任意本征態(tài)仍是哈密頓量HXY的定態(tài)波函數(shù)。HE的基態(tài)可看做是溫度為零時(shí)HXY的攜帶能流的非平衡穩(wěn)定態(tài)。此時(shí)，本征態(tài)將攜帶能流JE，這正是需要的結(jié)果。HE只是在數(shù)學(xué)上構(gòu)建的用來找到HXY的非平衡態(tài)的另一平衡哈密頓量，而系統(tǒng)仍在HXY下演化。以此研究含能流的自旋鏈的基態(tài)糾纏和有限溫度下的熱糾纏將很有意義。

2含能流的XY自旋鏈哈密頓量能譜與基態(tài)糾纏

以自旋為1/2的三量子比特自旋鏈作為研究系統(tǒng)，將三比特系統(tǒng)的哈密頓量HE對(duì)角化，即可得到如下能譜：

E1=-4-h,

E2=-4+h,

E3=-3h,

E4=3h,

(4)

從三比特各向同性XY自旋鏈的等效哈密頓量能譜可看出，本征值E1-E4與λ無關(guān)，而能級(jí)E5-E8都是與λ相關(guān)的函數(shù)。也即當(dāng)自旋鏈處于E5-E8之中的任一能級(jí)時(shí)，體系中將有能量流動(dòng)。當(dāng)λ=0時(shí)能級(jí)E5，E6及E7，E8是簡(jiǎn)并的，即E5=E6，E7=E8。當(dāng)λ≠0，即在自旋鏈中引入能流后，這種簡(jiǎn)并現(xiàn)象將消除。

因此，可得與各能級(jí)對(duì)應(yīng)的本征波函數(shù)如下：

(5)

3含能流各向同性XY自旋鏈在有限溫度下的熱糾纏

當(dāng)系統(tǒng)處于有限溫度的熱平衡狀態(tài)時(shí)，量子態(tài)應(yīng)表示為所有能量本征態(tài)分別按照與能級(jí)相關(guān)的概率混合而得到的混合態(tài)。該熱平衡態(tài)的密度矩陣可表為

(6)

采用多重熵積度量方案[31](multipleentropymeasures,MEMS)來度量糾纏。在MEMS糾纏度量方案中，純態(tài)的糾纏度可表為

…

(7)

MEMS定義混合態(tài)的糾纏度為

(8)

式中，Si(j)為純態(tài)的糾纏度Si。因此，式(6)所表示的混合態(tài)的糾纏度可寫作

(9)

利用式(9)，可以得出體系糾纏度與磁場(chǎng)強(qiáng)度h、拉氏乘子λ和溫度T之間的關(guān)系。

當(dāng)λ=0時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度取值的不同，糾纏度S隨溫度T的變化曲線如圖1。由等效哈密頓能譜可知，λ=0時(shí)，自旋鏈中沒有能量流動(dòng)。當(dāng)T=0時(shí)體系處于基態(tài)，此時(shí)h=2是相變點(diǎn)，這與文獻(xiàn)[23]的分析結(jié)果一致；當(dāng)h<2時(shí)，熱糾纏S隨溫度T的增加而減小，且隨著磁場(chǎng)h的增加，熱糾纏S減小得越迅速；當(dāng)h=0，T=0時(shí)，體系的熱糾纏有極大值，即Smax≈0.46；當(dāng)h>2時(shí)，S隨T的增加而增加，并且隨著磁場(chǎng)的增大，熱糾纏增大得越迅速，并逐漸趨近于極大值Smax≈0.35。體系最小熱糾纏為溫度為零的情況。且當(dāng)T=0時(shí)，隨著h的增加，最小糾纏將越來越趨近于0。

圖1　當(dāng)λ=0，h取不同值時(shí)體系

(從左邊由上至下分別對(duì)應(yīng)：實(shí)線為h=0，點(diǎn)線為h=2，短虛線為h=4，虛線為h=6)

，h取不同值時(shí)體系

(從左邊由上至下分別對(duì)應(yīng)：實(shí)線為h=0，點(diǎn)線為h=2，短虛線為h=4，虛線為h=6)

，h取不同值時(shí)體系

(從左邊由下至上分別對(duì)應(yīng)：實(shí)線為h=0，點(diǎn)線為h=0.5，短虛線為h=1，虛線為h=2，長虛線為h=3)

，h取不同值時(shí)體系

(從左邊由下至上分別對(duì)應(yīng)：實(shí)線為h=0，點(diǎn)線為h=0.5，短虛線為h=1，虛線為h=2)

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，S在T=0時(shí)有最大值Smax≈0.69；當(dāng)h>0時(shí)，熱糾纏的最大值為Smax≈0.92。此時(shí)熱糾纏隨溫度升高而降低，且磁場(chǎng)強(qiáng)度h越大，熱糾纏減小的越慢。

4結(jié)語

本文討論了當(dāng)自旋鏈有能量流動(dòng)時(shí)，體系的基態(tài)糾纏和有限溫度下的熱糾纏性質(zhì)，分析了系統(tǒng)在橫磁場(chǎng)和能流影響下，各向同性XY自旋鏈熱糾纏的變化情況。采用文獻(xiàn)[24]提出的拉氏乘子法構(gòu)建了能流算符及等效哈密頓量，并按照表征能量流的拉氏乘子的不同取值區(qū)間對(duì)熱糾纏特性做了詳細(xì)討論和理論分析。結(jié)果表明，自旋鏈中的能量流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致體系的熱糾纏增加。當(dāng)基態(tài)處于非能流相時(shí)，體系的極大熱糾纏為0.46；而當(dāng)基態(tài)躍變進(jìn)入能流相之后，極大熱糾纏增加為0.92。值得注意的是，這也是三比特XY自旋鏈可能獲得的最大熱糾纏。理論分析還發(fā)現(xiàn)，基態(tài)由非能流相躍變到能流相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致體系的熱糾纏增大。且當(dāng)基態(tài)處于能流相時(shí)，橫磁場(chǎng)越大，體系的熱糾纏越大。而能流的增大，將導(dǎo)致體系更容易在較低溫度獲得較大糾纏。事實(shí)上，由于自旋鏈處于橫磁場(chǎng)中，如何進(jìn)一步考慮磁場(chǎng)流，了解體系的基態(tài)糾纏和有限溫度下的熱糾纏性質(zhì)，將是我們進(jìn)一步要研究的內(nèi)容。

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(責(zé)任編輯鄒永紅)

Thermal Entanglement under Finite Temperature of an Isotropic Transverse

XY Spin Chain with Energy Current

LIU Dan1, ZHANG Jin-yan2

(1.School of Physics and Materials Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China;

2.The Eighth Middle School of Anshan, Anshan Liaoning 114031, China)

Abstract:The energy current operator was built by Lagrange multiplier method in this paper. The multiple entropy measures were used to calculate both the entanglement under the zero temperature and the thermal entanglement under the finite temperature in the three-qubit system. According to the different interval of the Lagrange multiplier, the changes of thermal entanglement with temperature and magnetic field were analyzed. The energy spectrums were studied under the influence of the energy current in the isotropic transverse XY spin chain. The study found that When the energy current didn’t flow in the spin chain, the maximum value of entanglement in the spin chain was 0.46. When the Lagrange multiplier was greater than zero, the energy current began to flow in the spin chain. Those would make the thermal entanglement increase, and the maximum value could be up to 0.92. The flow of energy would increase the thermal entanglement of the system. When the system was in the energy current phase, the spin chain would have greater thermal entanglement with greater transverse magnetic field. The increase of the energy current would make the system obtain greater entanglement in lower temperature.

Key words:thermal entanglement; spin chain; energy current; transverse magnetic field

中圖分類號(hào)：O413.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-1383(2016)01-0056-06

作者簡(jiǎn)介：劉丹(1979-)，女，湖南益陽人，副教授，博士，主要從事量子光學(xué)、量子信息與計(jì)算研究。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201502080402)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013505)。

收稿日期：2015-06-02；最后修回日期：2015-06-29