《开放量子系统中若干量子效应的调控与应用研究》

量子信息的快速发展使人们认识到,利用量子效应可以实现一些经典手段无法完成的任务。因此,探索量子效应的调控,使其能更好地得到应用是物理学研究的热点之一。在此背景下,该项目研究了开放量子系统中非马尔科夫性、量子演化加速、光场量子关联等量子效应的调控,及其在量子信息和量子成像中的应用,取得了一系列在学术界同行中有影响力的创新性研究成果。主要成果包括:

1.非马尔科夫性的调控及其在量子相干和量子纠缠保持上的应用。

非马尔科夫性表征环境的记忆效应,可以使量子相干和量子纠缠等量子信息资源在衰退过程中得到部分恢复,对其有效调控具有重要的应用价值。提出并证明利用环境间的耦合可以产生并提升系统的非马尔科夫性;揭示了零温玻色环境个数与非马尔科夫性的关系,发现当环境个数大于某个临界值时,系统不依赖于耦合强度总能保持非马尔科夫动力学;构建了一种具有层级结构的环境,展示了环境个数和两层环境间耦合强度对非马尔科夫性的有效调控;设计了一种基于耦合腔的实际物理体系用来保持处于其中的量子系统的相干性和纠缠,利用现有实验数据模拟证实,该体系能够使量子纠缠寿命得到多个数量级的延长。

2.量子态加速演化的调控及其推广研究。

较快的量子演化速率可以提高量子态鲁棒性并抑制开放系统的退相干,因此对开放系统动力学加速机制的调控研究在量子信息、量子计量等领域具有重要应用价值。通过对系统施加经典驱动,发现在弱耦合机制下可以实现系统动力学由马尔科夫向非马尔科夫的转变,进而达到量子态加速演化的目的;从混合态相对纯度出发,推导出了适用于描述任意初始量子态的量子速率极限时间表达式,并揭示了相对论效应对量子加速演化的影响,从而把纯态的加速演化研究推广到混合态,拓展了这一领域的研究。

3.光场量子关联调控及其在鬼成像中的应用。

鬼成像技术能够有效克服复杂光学环境对成像质量的影响,在军事侦察、空间遥感、光学加密等领域具有重要的实际应用价值。作为鬼成像的重要资源,课题组研究了简并和非简并空间关联的调控,提出了彩色鬼成像的实现方案,从理论上严格分析了影响还原物体色彩的关键因素。发现相比于非简并空间关联,由简并空间关联产生的鬼成像不存在颜色失真,能够很好地还原物体的真实色彩。以图像信噪比为例,证明了非简并空间关联能够有效提高鬼成像的成像质量,这一结果已被其后的实验研究给予证实。

8篇代表性论文(其中Physical Review A 5篇,Scientific Reports 2篇,Optics Express 1篇)得到Reviews of Modern Physics,Nature Communications,Physical Review Letters等权威期刊的大量引用与充分肯定,被SCI他引244次,其中2篇论文分别被SCI他引67次和64次,1篇论文进入ESI高被引论文。在该项目成果的支撑下,第一完成人获得“山东省青年科技奖”、山东物理学会“杰出青年学术奖”、山东省“有突出贡献的中青年专家”、“山东青年五四奖章”等奖励或荣誉称号,入选山东省“泰山学者青年专家”人才工程。

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