彎曲時(shí)空基本量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化、幾何相和量子糾纏.pdf

1、量子信息科學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了人們對(duì)各種可應(yīng)用于量子信息處理的物理體系的廣泛研究。然而，由于量子系統(tǒng)與環(huán)境之間存在著不可避免的相互作用，任何真實(shí)的量子系統(tǒng)都不可能是孤立系統(tǒng)。不同的環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化行為完全不同。因此，通過(guò)研究開(kāi)放量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化行為，我們可以獲得與其耦合的環(huán)境的相關(guān)信息。在本文中，我們利用開(kāi)放量子系統(tǒng)理論研究了一個(gè)基本量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化，并討論了其幾何相和量子糾纏行為，得到了以下主要結(jié)論:
　　

2、1.我們研究了Schwarzschild黑洞外部固定位置處與Unruh真空中漲落電磁場(chǎng)耦合的兩能級(jí)原子的動(dòng)力學(xué)演化問(wèn)題。通過(guò)求解這個(gè)兩能級(jí)原子的主方程，我們分析了其躍遷率和最終所達(dá)到的穩(wěn)態(tài)。結(jié)果表明，在經(jīng)歷了足夠長(zhǎng)時(shí)間的演化之后，原子會(huì)熱化到一個(gè)與初態(tài)無(wú)關(guān)，而與其躍遷頻率有關(guān)的熱混合態(tài)，這一行為與一個(gè)穩(wěn)態(tài)非熱平衡環(huán)境中電介質(zhì)附近原子的動(dòng)力學(xué)演化行為非常類似。因此，我們的結(jié)果一方面說(shuō)明了Unruh真空非熱平衡的本性，另一方面也表明，原則上

3、可以在實(shí)驗(yàn)室中利用人工超材料構(gòu)建穩(wěn)態(tài)非熱平衡電磁環(huán)境來(lái)模擬黑洞Hawking輻射的某些特征。
　　2.以開(kāi)放量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化為基礎(chǔ)，我們進(jìn)一步研究了一個(gè)開(kāi)放兩能級(jí)原子的幾何相。我們分別考慮了Minkowski真空中的勻加速原子、理想無(wú)窮大全反射平面附近的慣性原子，以及Schwarzschild黑洞外部的靜止原子這三種情形。對(duì)于Minkowski真空中勻加速兩能級(jí)原子，我們發(fā)現(xiàn)其幾何相存在由加速度帶來(lái)的修正項(xiàng)，因此原則上可以利用

4、干涉實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量慣性原子和加速原子的幾何相位差來(lái)驗(yàn)證Unruh效應(yīng)。對(duì)于理想無(wú)窮大全反射平面附近的情形，原子的幾何相與其到邊界的距離有關(guān)，這是由于邊界的存在使得真空中漲落電磁場(chǎng)的模式發(fā)生了改變。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們提出了利用原子干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)量到邊界距離不同的慣性原子之間的幾何相位差來(lái)直接探測(cè)被反射邊界所改變的電磁場(chǎng)真空漲落的方案。對(duì)于Schwarzsehild黑洞外部的情形，我們分別討論了與Boulware，Unruh和Hartle-Haw

5、king三種真空標(biāo)量場(chǎng)耦合的靜止原子的幾何相。我們發(fā)現(xiàn)，與平直時(shí)空的結(jié)果相比，Schwarzschild黑洞外部原子的幾何相存在由時(shí)空曲率反散射和Hawking輻射帶來(lái)的修正項(xiàng)，原則上為我們觀測(cè)彎曲時(shí)空量子效應(yīng)提供了新的思路。
　　3.在單原子動(dòng)力學(xué)演化研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究了彎曲時(shí)空中兩原子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化，并探討了它們之間量子糾纏產(chǎn)生問(wèn)題。首先，我們討論了與Sehwarzsehild時(shí)空中真空標(biāo)量場(chǎng)耦合的靜止兩原子系統(tǒng)平