賀啟亮,丁 敏,宋曉書,肖勇軍
(貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴陽 550001)
量子相干性(quantum coherence)起源于量子態(tài)疊加原理,被認(rèn)為是一種重要的物理資源,在量子物理與量子信息過程中扮演著非常重要的角色[1-8]. 根據(jù)量子力學(xué)理論,量子相干性可以利用波函數(shù)的疊加或者密度矩陣的非對角元來進(jìn)行描述. 由于各種各樣的量子效應(yīng),比如量子干涉、量子霍爾效應(yīng)等都與量子相干疊加有著非常密切的關(guān)系. 因此,量子態(tài)之間的相干疊加也被認(rèn)為是非經(jīng)典關(guān)聯(lián)(例如量子糾纏(quantum entanglement),量子失諧(quantum discord)等)存在的必不可少的先決條件. 近年來,許多研究都指出量子相干性可能是一種更為普遍,更為基礎(chǔ)的量子資源[9-15]. 特別在開放量子系統(tǒng)中,相較于其他非經(jīng)典關(guān)聯(lián),量子相干性將更加強(qiáng)壯,而且在某些特定的情況下,其可以被凍結(jié)保持不變[16]. 盡管量子相干性如此重要,但是其研究卻發(fā)展相對緩慢,直到最近Baumgratz等人才提出了一個嚴(yán)密的理論來系統(tǒng)地刻畫量子相干性[17]. 基于這個理論,許多滿足相干性度量約束條件的計算方法開始被提出,比如基于范數(shù)的相干性、基于相對熵的相干性[17]、基于skew信息的相干性等[18-19]. 另外,在生物物理中與量子相干性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)也陸續(xù)被報道[20-21].
另一方面,伴隨著量子誘捕技術(shù)[22]和高品質(zhì)光學(xué)微波腔[23]的快速發(fā)展,使得量子電動力學(xué)系統(tǒng)成為執(zhí)行量子信息任務(wù)和完成量子信息過程最理想、最有潛力的候選者之一[24-25]. 腔電動力學(xué)系統(tǒng)是將原子誘捕在光學(xué)微波腔中來實(shí)現(xiàn)的. 在系統(tǒng)中,原子的特征狀態(tài)可以存在相對較長的時間,這一先天性質(zhì)使得它非常適用于量子信息的存儲. 同時在系統(tǒng)中,由于相對密閉的環(huán)境,光子也能更好地攜帶和傳輸量子信息. 此外,在量子物理的基礎(chǔ)研究中,特別是在相干性、非定域性、測量等方面,腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)都扮演著非常重要的角色[26]. 強(qiáng)耦合的腔電動力學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為量子控制和量子信息科學(xué)本質(zhì)特征的證明提供了有力的幫助,而且還為量子計算和量子通信技術(shù)的發(fā)展提供了非常重要的技術(shù)支持[27-29].
綜上所述,國內(nèi)外研究者在量子相干性特性研究[9-16]、量子相干性度量方法[17-19]、腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)中量子關(guān)聯(lián)研究[24-26]以及基于腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)的量子信息任務(wù)執(zhí)行[27-29]等方面都開展了許多的研究工作,但是對于利用去耦合脈沖在腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)中增大量子相干性和調(diào)節(jié)三體糾纏的研究還未見相關(guān)報道. 鑒于此,本文基于腔量子電動力學(xué)系統(tǒng),研究了利用動力學(xué)去耦合脈沖增大兩目標(biāo)原子之間的量子相干性和非經(jīng)典關(guān)聯(lián). 計算表明,兩個原子之間的量子相干性和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)可以通過在系統(tǒng)中加入一連串的動力學(xué)去耦合脈沖來進(jìn)行調(diào)節(jié)和增加. 此外,本文還利用跡距離的方法探討了動力學(xué)去耦合脈沖增加兩原子之間量子相干性和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的原因,發(fā)現(xiàn)動力學(xué)去耦合脈沖能夠控制和加速量子信息從其他子系統(tǒng)回流到兩個原子中去,并減少兩原子子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)之間的量子信息流動,從而增加兩個原子之間的量子相干性和非經(jīng)典關(guān)聯(lián). 最后,借助態(tài)制備保真度的方法研究了系統(tǒng)中三體糾纏出現(xiàn)的情況. 結(jié)果顯示,隨著時間的演化,系統(tǒng)中會出現(xiàn)三體糾纏,三體糾纏出現(xiàn)的周期可以通過動力學(xué)去耦合脈沖來進(jìn)行調(diào)節(jié),并且系統(tǒng)出現(xiàn)三體糾纏的時間區(qū)域可以通過調(diào)節(jié)脈沖間隔時間來增加.
考慮一個由兩個二能級原子A、B與光腔進(jìn)行相互作用組成的系統(tǒng)(如圖1所示).
圖1 本文研究系統(tǒng)簡要模型圖
H=H0+Hint+Hp
(1)
此處,
(2)
(3)
Hp=V(t)a+a
(4)
UpU0Up?e-iπa+ae-i(H0+Hint)Te-iπa+a=
-e-i(H0-Hint)T
(5)
利用(4)式和(5)式,不難得到當(dāng)加入動力學(xué)去耦合脈沖后,在時間t=2N(T+τ)+tx時系統(tǒng)隨時間演化算符為:
(6)
Uc=Up(τ)U0(T)Up(τ)U0(T)
(7)
初始,假設(shè)兩個原子制備于量子關(guān)聯(lián)態(tài),腔場制備于真空態(tài),即:
|ψ(0)〉=(cosθ|gg〉+sinθ|ee〉)?|0〉
(8)
利用系統(tǒng)的時間演化算符U(t)并對腔場求跡,在標(biāo)準(zhǔn)正交基矢(|ee〉,|eg〉,|ge〉,|gg〉)下可以得到兩個原子之間的約化密度矩陣為:
(9)
此處,
ρ11(t)=(cosθ)2|M1(t)|2
ρ33(t)=(cosθ)2|M3(t)|2
ρ44(t)=(cosθ)2|M4(t)|2+(sinθ)2
ρ22(t)=(cosθ)2|M2(t)|2
(10)
這里,
M1(t)=3(〈ee0|U(t)|gg2〉+〈gg2|U(t)|
|eg1〉+〈eg1|U(t)|ge1〉+〈ge1|U(t)|
eg1〉+〈ge1|U(t)|ge1〉)
M2(t)=〈eg1|U(t)|ge1〉-〈eg1|U(t)|eg1〉+
〈ee0|U(t)|eg1〉+〈ge1|U(t)|eg1〉-〈ge1|
U(t)|ge1〉+〈ge1|U(t)|ee0〉+〈gg2|U(t)
M3(t)=〈eg1|U(t)|eg1〉-〈eg1|U(t)|ge1〉-
〈ge1|U(t)|eg1〉+〈ge1|U(t)|ge1〉-
eg1〉+〈ge1|U(t)|ge1〉)+ 3(〈ee0|U(t)|ee0〉+
(11)
(12)
標(biāo)記所有的非相干態(tài)為一組集合,記為IC. 而最大相干態(tài)在Baumgratz等人的文章中也已經(jīng)給出,其形式為
(13)
任何一個有效計算量子相干性的度量方法都必須滿足以下四個條件[15,17]: (1)C(ρ)≥0,當(dāng)且僅當(dāng)量子態(tài)δ是非相干態(tài)中的任意一個態(tài)時,C(δ)=0;(2)在非選擇相干完全正定保跡(ICPTP)映射Λ作用下,其是單調(diào)的,即:C(ρ)≥C(Λρ);(3)在選擇映射ICPTP取平均情況下,其是單調(diào)的,即:C(ρ)≥∑nqnC(Λnρ);(4)在量子態(tài)為混合態(tài)的情況下,其是非遞增的,即:C|∑ipiρi|≤∑iC(ρi).
由于相對熵量子相干性測量方法滿足上面列出的所有四個條件,所以是一個良好且有效的測量量子相干性的方法. 根據(jù)文獻(xiàn)[17],相對熵量子相干性Cre可以被定義為:
Cre=S(ρdiag)-S(ρ)
(14)
另一方面,除了量子相干性,本文還研究了動力學(xué)去耦合脈沖對兩個原子之間的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)(量子糾纏和量子失諧)的影響,并對比了它們與量子相干性動力學(xué)行為的異同點(diǎn). 這里,為了度量量子糾纏,本文將采用Wootters的concurrence[32]. 對于一個雙量子比特系統(tǒng),concurrence可以被定義為:
(15)
(16)
另外,對于量子失諧,本文采用Olliver和Zurek[33]引入的方法來進(jìn)行計算. 他們將量子失諧定義為總關(guān)聯(lián)和經(jīng)典關(guān)聯(lián)的差異,其能被表示為:
Q(ρAB)=I(ρAB)-CC(ρAB)
(17)
對于一個兩體量子系統(tǒng)來說,總關(guān)聯(lián)能夠通過量子互信息來定義:
I(ρAB)=S(ρA)+S(ρB)-S(ρAB)
(18)
這里S(ρ)=-Tr(ρlogρ)為馮諾依曼熵,ρA=TrB(ρAB)和ρB=TrA(ρAB)分別是子系統(tǒng)A和B的約化密度矩陣. 對于式(9)這樣的X結(jié)構(gòu)密度矩陣來說,其馮諾依曼熵可以表示為
(19)
此處,
(20)
(21)
根據(jù)對其中一個子系統(tǒng)進(jìn)行測量所得的最大信息量,經(jīng)典關(guān)聯(lián)能夠被定義為
(22)
這里,{Bk}是在子系統(tǒng)B上的一組完備的投影,S(ρAB|{Bk})=∑kpkS(ρk)是基于測量的量子條件熵,ρk=1/pkTrB[(I?Bk)ρAB(I?Bk)]是條件密度算符,pk=Tr(AB)[(I?Bk)ρAB(I?Bk)]是得到相應(yīng)條件密度算符的概率. 接下來,根據(jù)(9)式和參考文獻(xiàn)[34]所介紹的方法,兩個原子間量子失諧的解析表達(dá)式可以被計算并得到. 但是,因?yàn)檫@個表達(dá)式過于繁冗和復(fù)雜,所以在這里不列出它的具體形式.
下面,本文將就動力學(xué)去耦合脈沖對兩個原子之間量子相干性(quantum coherence)與非經(jīng)典關(guān)聯(lián)(量子糾纏和量子失諧)的影響開展研究,并把它們的動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對比. 圖2、圖3和圖4描畫了系統(tǒng)中兩個原子之間量子coherence Coh(ρ)、量子concurrenceE(ρ)和量子discordQ(ρ)隨時間t和脈沖間隔T變化的演化圖像,其中參數(shù)θ=π/15,g=1以及τ=0.01.從圖中可以發(fā)現(xiàn),量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)都會出現(xiàn)周期性的振蕩,也就是說隨著時間的演化,它們都會先減小然后再增大. 通過對比可以看出,它們的動力學(xué)演化行為大致是類似的,但是其變化周期并不一致,即它們并不是同步變化的. 其次,從圖中不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)加入動力學(xué)去耦合脈沖之后,兩原子之間的量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)都能夠通過調(diào)節(jié)脈沖之間的時間間隔T來增大,這一情況意味著動力學(xué)脈沖可以增加量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián),并在時間的演化過程中加快其回復(fù)到初值. 這個現(xiàn)象的物理解釋是動力學(xué)去耦合脈沖抑制了原子與腔場之間的相互作用,防止了兩個原子之間量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的消失. 這里,當(dāng)選擇不同的θ時,得出的結(jié)論與此處所得結(jié)論是一致的.
圖2 兩個原子之間的量子Coherence Coh(ρ)與時間t和脈沖時間間隔T的關(guān)系,其中
圖3 兩個原子之間的量子糾纏E(ρ)與時間t和脈沖時間間隔T的關(guān)系,其中
圖4 兩個原子之間的量子失諧Q(ρ)與時間t和脈沖時間間隔T的關(guān)系,其中
接下來,本文將展示不同時間間隔的脈沖對兩原子間量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的影響.圖5、圖6和圖7針對脈沖不同的時間間隔T,把兩原子間的量子coherence Coh(ρ),量子糾纏E(ρ)和量子discordQ(ρ)分別刻畫為了隨時間t變化的圖像.從圖中能夠很清楚地看到兩個原子之間的量子coherence Coh(ρ)、量子糾纏E(ρ)和量子discordQ(ρ)都能夠通過加入脈沖來增加其數(shù)值,同時它們在時間點(diǎn)2N(T+)上能夠恢復(fù)它的初始值. 另外,從圖中也可以很明顯地顯示出量子coherence Coh(ρ),量子糾纏E(ρ)和量子discordQ(ρ)的變化周期都等于2T,并且當(dāng)脈沖時間間隔
圖5 兩個原子之間的量子coherence Coh(ρ)隨時間t演化的圖像,其中
圖6 兩個原子之間的量子糾纏E(ρ)隨時間t演化的圖像,其中
圖7 兩個原子之間的量子失諧Q(ρ)隨時間t演化的圖像,其中
T越小時,量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的振幅也會越小. 值得注意的是,在自由演化時,系統(tǒng)中將出現(xiàn)糾纏突然死亡的現(xiàn)象,但是這個時候的量子失諧和量子coherence并不為零,這證明了量子失諧和量子coherence或許是一種更為基本的非經(jīng)典關(guān)聯(lián). 此外,還可以看出系統(tǒng)中出現(xiàn)的糾纏突然死亡現(xiàn)象會隨著動力學(xué)去耦合脈沖的加入而消失. 綜上所述,可以發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)中加入動力學(xué)去耦合脈沖能夠增大兩個原子間的量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)數(shù)值,控制它們變化的周期,保護(hù)它們初始存儲的量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián). 這里,當(dāng)選擇不同的時,得出的結(jié)論與此處所得結(jié)論是一致的.
為了能夠進(jìn)一步了解動力學(xué)脈沖增加兩原子之間量子相干性和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的原因,本文將使用跡距離的方法研究動力學(xué)去耦合脈沖對原子與腔場之間信息流動的影響,從而找尋相關(guān)現(xiàn)象發(fā)生的可能因素. 這里首先簡單回顧一下跡距離的定義及其相關(guān)性質(zhì). 跡距離由Breuer等人引入,用于探究系統(tǒng)與環(huán)境的初始關(guān)聯(lián)對開放系統(tǒng)動力學(xué)演化的影響[35-36],同時,作為度量方法可以用來描述量子系統(tǒng)中信息的轉(zhuǎn)移和測量開放系統(tǒng)非馬爾科夫行為,一些相關(guān)的結(jié)果已被近來的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[37-38]. 跡距離作為兩個量子態(tài)ρ1和ρ2之間差別程度的度量,其被定義為[35]:
(23)
D(Uρ1U?,Uρ2U?)=D(ρ1,ρ2)
(24)
特別,跡距離能夠表達(dá)為對所有投影算符Π求跡的最大值,也就是:
(25)
這個式子表明對ρ1和ρ2進(jìn)行測量時,所能得到區(qū)分程度的上限. 因此,跡距離D(ρ1,ρ2)可以解釋為表征兩個量子態(tài)ρ1和ρ2的差異程度的測量方法.
下面開始研究動力學(xué)去耦合脈沖對整個系統(tǒng)中信息流動的影響,并結(jié)合其對量子相干性的影響進(jìn)行討論. 根據(jù)方程(8)、(9)以及(23),在考慮系統(tǒng)加入動力學(xué)去耦合脈沖后,t時刻兩個原子之間的跡距離能夠被推導(dǎo)得出為:
|M2(t)2|+|M3(t)2|+|M4(t)2|-1)
(26)
這里的M1(t),M2(t),M3(t),M4(t)已在(11)式中給出.
圖8 跡距離D(ρAB(0),ρAB(t))隨時間t演化的圖像,其中
圖8考慮未加入動力學(xué)去耦合脈沖和加入不同時間間隔動力學(xué)去耦合脈沖的情況,本文把兩原子間的跡距離D(ρAB(0),ρAB(t))展示為隨時間t變化的函數(shù). 從圖中的黑色實(shí)線(未加入脈沖)能夠很清楚地看出,跡距離D可以超過它的初值,這個情況與初始兩個原子間的量子信息流入到光腔相對應(yīng),也就是說初始兩個原子所擁有的信息泄露到了光腔中. 由圖中黑線的變化,還可以發(fā)現(xiàn)隨著時間的變化跡距離D的數(shù)值會增加以及減少,這種變化分別與兩個原子子系統(tǒng)中信息的增加和減少相聯(lián)系. 其中,跡距離D增加的現(xiàn)象說明,兩個原子系統(tǒng)中所擁有的量子信息將會減少,也就是說兩個原子之間的量子相干性,非經(jīng)典關(guān)聯(lián)在隨時間演化的過程中會被破壞,進(jìn)而變成沒有量子特性的狀態(tài). 這個現(xiàn)象暗含了兩個原子之間的初始量子態(tài)將會改變,同時將會失去執(zhí)行量子信息任務(wù)所需要的量子特性.
將圖中黑色實(shí)線(未加入脈沖)與綠色虛線(脈沖時間間隔T=0.5),以及紅色點(diǎn)線(脈沖時間間隔T=0.3)進(jìn)行對比,不難發(fā)現(xiàn)兩原子間跡距離D的值將會由于動力學(xué)去耦合脈沖的加入而減少. 而且當(dāng)縮短所加入脈沖的間隔時間T時,兩原子間的跡距離將會變得更小. 這些都意味著動力學(xué)去耦合脈沖能夠抑制兩個原子與腔場之間的相互作用,并且加快信息回流到兩個二能級原子系統(tǒng)中去,從而保護(hù)兩個原子之間的量子相干性和非經(jīng)典關(guān)聯(lián). 這一現(xiàn)象的物理解釋是動力學(xué)去耦合脈沖不僅可以防止兩個原子之間的量子信息流入到其他不同的子系統(tǒng)中,而且可以減少其他子系統(tǒng)間信息回流進(jìn)入兩個原子系統(tǒng)中,從而保護(hù)兩個原子子系統(tǒng)不受影響.這個結(jié)果表明,通過在系統(tǒng)中加入動力學(xué)去耦合脈沖,可以保護(hù)執(zhí)行量子信息任務(wù)所需要的兩個原子間初始存在的量子關(guān)聯(lián)和量子特性.
對于如何從眾多糾纏態(tài)或者可分離態(tài)中區(qū)分出真正的三體糾纏態(tài)存在著許多判定標(biāo)準(zhǔn). 例如Mermin-Klyshko不等式[39-40]、態(tài)制備保真度[41-42]等. 這里,本文采用態(tài)制備保真度去研究系統(tǒng)中出現(xiàn)的三體糾纏.
初始,假設(shè)整體系統(tǒng)處于量子態(tài):
|φ(0)〉=(cosθ|eg〉+sinθ|ge〉)?|0〉
(27)
將(6)式中系統(tǒng)隨時間演化算符和(27)式相結(jié)合,不難得到整個系統(tǒng)隨時間演化的密度矩陣為
(28)
其中,
(29)
這里,
(30)
對于一個三體糾纏態(tài)ρx來說,態(tài)制備保真度F能夠被定義為:
F(ρx)=〈GHZ|ρx|GHZ〉
(31)
此處,|GHZ〉是三體糾纏GHZ態(tài),對于真正的三體糾纏成立的充分條件為:
(32)
根據(jù)三體糾纏GHZ態(tài)形式選擇的要求[43],本文中選擇三體糾纏GHZ態(tài)為[44]:
i|gg1〉]
(33)
(34)
另外,對比圖中紅色點(diǎn)線和黑色實(shí)線,不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入動力學(xué)去耦合脈沖后,態(tài)制備保真度F(ρ)超過1/2的區(qū)域?qū)龆? 這表明隨著時間的演化,系統(tǒng)出現(xiàn)三體糾纏的頻率將會增多,周期性變化的時間將會減少. 其變化周期與脈沖時間間隔T之間存在著密切的聯(lián)系,并且近似的等于脈沖時間間隔2T. 這一現(xiàn)象意味著,系統(tǒng)中出現(xiàn)三體糾纏的時間可以通過動力學(xué)去耦合脈沖來進(jìn)行調(diào)節(jié),且可以通過改變加入脈沖的時間間隔來控制系統(tǒng)中三體糾纏的變化周期,從而增加系統(tǒng)中出現(xiàn)三體糾纏的時間區(qū)域.
圖9 系統(tǒng)的態(tài)制備保真度F(ρ)隨時間t演化的圖像,其中
未加入脈沖F(ρ)(黑色實(shí)線),加入時間間隔T=0.5脈沖的F(ρ)(紅色點(diǎn)線).
T=0.5(red dotted line) and without dynamical decoupling pulses (black solid line).
本文研究了動力學(xué)去耦合脈沖對腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)中目標(biāo)原子間量子coherence以及非經(jīng)典關(guān)聯(lián)(量子糾纏和量子失諧)的影響. 結(jié)果顯示,兩個原子之間的量子coherence、量子糾纏和量子失諧的數(shù)值能夠通過應(yīng)用動力學(xué)去耦合脈沖來增大,而且其數(shù)值增加的幅度會隨著控制脈沖時間間隔T的縮小而變大. 兩原子之間的量子coherence、量子糾纏和量子失諧在時間點(diǎn)2N(T+τ)能夠恢復(fù)它的初始值,也就是說,量子coherence與非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的變化周期等于2N(T+τ),而且其振蕩的振幅會隨著脈沖時間間隔T的變短而減小. 這意味著,如果動力學(xué)去耦合脈沖的時間間隔無限接近于無窮小(即:T→0),那么兩原子之間的量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)將一直在初始值上保持不變.
此外,本文還利用跡距離的方法研究了動力學(xué)去耦合脈沖增加量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的原因. 當(dāng)應(yīng)用動力學(xué)去耦合脈沖之后,兩原子之間的跡距離將會減小,這說明動力學(xué)去耦合脈沖能夠控制和加速量子信息從其他子系統(tǒng)回流到兩個原子中去,并減少兩原子子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)之間的量子信息流動,從而增加兩個原子之間的量子信息,提高兩原子間的量子coherence和非經(jīng)典關(guān)聯(lián).
最后,本文研究了動力學(xué)去耦合脈沖對系統(tǒng)三體糾纏出現(xiàn)時間區(qū)域的影響. 通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)隨著時間的演化,系統(tǒng)中會出現(xiàn)三體糾纏現(xiàn)象. 但是,系統(tǒng)三體糾纏出現(xiàn)的時間區(qū)域是有限的,并存在較長的周期時間間隔. 這一結(jié)果說明,隨著時間的演化系統(tǒng)中三體糾纏將會消失,并在經(jīng)過較長時間間隔之后才能重新出現(xiàn). 然而,值得注意的是,當(dāng)加入動力學(xué)去耦合脈沖后,系統(tǒng)中出現(xiàn)三體糾纏的時間區(qū)域?qū)龆?同時三體糾纏出現(xiàn)的時間周期也可以被縮短. 這意味著可以通過動力學(xué)去耦合脈沖來調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)三體糾纏出現(xiàn)的區(qū)域,減少三體糾纏出現(xiàn)的周期時間間隔,增加三體糾纏出現(xiàn)的時間.