带有三体相互作用的三粒子海森堡自旋系统的量子纠缠动力学演化文献综述

 2023-09-25 08:24:36

文献综述

(1) 研究的现状及发展现状及发展趋势:

自二十世纪二十年代中期量子力学的基本理论形成以来,对于量子纠缠的研究就一直是量子理论基本问题研究的重要课题。量子力学的创始人以其深刻的洞察力提出了EPR佯谬和Schrdinger猫态,预示了量子理论的基本问题未来的发展方向,量子纠缠理论正是在这一方向上产生的。早期对量子纠缠态表现出来的量子非局域性的研究大多是停留在哲学层次上的探讨,直到1964年,Bell对于EPR佯谬思想实验,量子力学的预测明显地不同于局域性隐变量理论,其给出的Bell不等式可以定性地给出两种方法的差别,从而可以通过实验验证。近年来,众多的研究结果促进了应用这些超强关联来传递信息的可能性。纠缠被视为一种物理资源,能够进行萃取和转换, 可以实现一些经典手段无法实现的任务,进行量子密钥分配、量子隐形传态、量子搜索算法等,促进了量子信息学、量子通信和量子计算的发展。量子纠缠理论为量子信息技术的发展打开了广阔的应用前景,随着量子信息技术的迅猛发展,作为它的重要基础之一的量子纠缠态的定性和定量研究很自然地获得广泛的研究,既有理论上的又有实验上的问题,既有物理方面的也有数学方面的探讨,它们相互融合相互促进,形成了当代量子理论中的一个重要研究方向,使得量子信息与量子计算这一跨学科的交叉研究领域在过去二十多年中从星星之火发展到了燎原之势,带来了当代科学技术的最大变革。

随着量子通信与量子计算的发展,自旋系统是近年研究的热点之一。固态物理中的自旋链不仅在量子态的传输(Teleportation)有重要的应用,其本身具有丰富的纠缠特性因而被广泛的应用于实现量子纠缠。海森堡系统是一种很重要的固体纠缠源。最近几年中,海森堡系统引起了研究人员越来越多的关注,原因在于它是一种基础的自旋系统,随着外部条件的改变,它可以演化出各种模型。海森堡自旋链模型从形状上可分为线型,星型,环型自旋链;从相互作用上可分为最近邻粒子相互作用,次近邻粒子相互作用模型;从维数上可分为一维,二维,三维,髙维自旋链;从相互作用在不同方向上,可分为XYZ模型,HZ模型,XXX模型,各项同性H模型,各向异性XY模型,Ising模型等。另外,它还是构成量子计算机和量子点的基本自旋系统,研究海森堡系统中的量子纠缠特征,对量子纠缠态的实验室制备以及量子信息的实际应用具有基础性作用。海森堡自旋链模型有较好的操作性且便于量子计算,且多体自旋相互作用在准一维磁体中起到重要作用,具有三自旋相互作用的自旋链系统被广泛研究及应用。

(2)研究意义和价值:

基于量子测量理论,Ollivier与Zurek在2001年提出将量子态的关联分为经典关联与量子关联,并用量子失谐(quantum discord,简记QD)度量量子关联,指出量子纠缠只是一种特殊的量子关联,量子纠缠并不能刻画量子系统中全部的量子关联,在某些可分离态中也存在量子关联。最近的研究表明,这种非纠缠量子关联也可以实现量子通信与量子计算。

量子纠缠是一种量子力学现象,根据量子力学中态叠加原理,实现某一力学量的不同的本征态线性叠加,进而构成一个多粒子的叠加态,是一种奇特而又复杂的量子现象,是两个或多个量子系统之间的一种非局域、非经典的关联。量子纠缠的存在是量子系统区别于经典系统的最显著特征,是量子系统的主要微观特征之一,它在量子计算和量子通信过程发挥着至关重要的作用不同的量子系统,其量子纠缠的特征并不完全相同,揭示不同系统中量子纠缠的产生和变化规律,对于量子多体系统的描述和理解有十分重要的作用,是当前量子信息学界的一个热门研究方向。

两体系统的量子关联特性已经得到了广泛的研究,然而由于描述与量化多体量子关联还很困难,近期三体量子关联才得到关注,已有研究表明三体量子关联在量子信息处理中起到重要作用。量子纠缠现象在量子计算和量子通信中起着关键作用。常用的量子纠缠度量有:部分纠缠熵、Negativity、Concurrence等,Concurrence是最常用的两体量子纠缠度量。由于系统不可避免的与环境相互作用会导致量子系统的退相干(Decoherence),在量子信息处理工程中量子系统在环境中的动力学演化被广泛关注,各种量子关联的动力学演化被广泛研究。

具有三体相互作用的系统处于基态时可以表现出奇异的量子相,如拓扑相或自旋液体和手性相等。2004年布伦纳等人提出了一种直接测量三个带电胶体颗粒之间的相互作用方法,这与早期对两种粒子相互作用的实验研究相似。在此之前,有研究使用核自旋和囚禁离子在双自旋海森堡链中模拟三体哈密顿量和量子磁体。同年,也有人提出了一个物理模型,可以有效地模拟各种三体自旋相互作用。海森堡自旋链模型有较好的操作性且便于量子计算,且多体自旋相互作用在准一维磁体中起到重要作用。

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