[논문 리뷰] Evolution of coherence and non-classicality under global environmental interaction

Samyadeb Bhattacharya, Subhashish Banerjee외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 15.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 개방 양자 시스템에서의 글로벌 시스템- bath 상호작용를 위한 마스터 방정식을 제안하며, 글로벌 환경 결합이 디코herence를 억제하고 비마르코프성 복귀를 가능하게 하여 양자 얽힘과 양자 희귀성의 복원을 가능하게 함을 보여준다. 영온도의 환경에서 글로벌 상호작용 강도를 높일수록 비고전적 상관관계가 증가하고 안정화되며, 양자 피셔 정보 생성은 비희귀성 및 비고전적 성질 측정치에 의해 제한되어 비희귀성 지표로서의 역할을 드러낸다.

ABSTRACT

A master equation has been constructed for a global system-bath interaction both in the absence as well as presence of non-Markovian noise. For the memoryless case, it has been exactly solved for a paradigmatic class of two qubit states in high and zero temperature thermal environment. For the non-Markovian model, it has been solved for zero temperature bath. The evolution of quantum coherence and entanglement has been observed in presence of the above mentioned interactions. We show that the global part of the system-bath interaction compensates for the decoherence, resulting in slow down of coherence and entanglement decay. For an appropriately defined limiting case, both coherence and entanglement show freezing behaviour for the high temperature bath. In case of zero temperature bath, the mentioned interaction not only stabilizes the non-classical correlations, but also enhances them for a finite period. For the memory dependent case, we have seen that the global interaction enhances the back-flow of information from environment to the system, as it enhances the regeneration of coherence and entanglement. Also we have studied the generation of Quantum Fisher information by the mentioned process. An intuitive measure of non-classicality based on non-commutativity of quantum states has been considered. Bounds on generated quantum Fisher information has been found in terms of quantumness and coherence. This gives us a novel understanding of Quantum Fisher information as a measure of non-classicality.

연구 동기 및 목표

• 비마르코프 조건에서 개방 양자 시스템의 글로벌 시스템-bath 상호작용를 위한 마스터 방정식을 개발하는 것.
• 특히 고온 및 영온도의 환경에서 이러한 글로벌 상호작용 하에서 양자 희귀성과 얽힘의 동역학을 분석하는 것.
• 글로벌 환경 결합이 비마르코프성 메모리 효과를 통해 정보의 역류 및 양자 상관관계 재생에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 양자 피셔 정보의 생성을 정량화하고 이를 비고전성 및 희귀성 측정치와 연관짓는 것.
• 희귀성, 비고전성, 그리고 양자 피셔 정보 간의 관계를 비고전성 지표로서의 역할을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 조화 진동자 환경에 글로벌로 연결된 두 큐비트 시스템에 대한 비마르코프 마스터 방정식을 수립하는 것.
• 마르코프 근사에서 고온 및 영온도 열적 환경에 대해 마스터 방정식의 정확한 해석적 해를 도출하는 것.
• 영온도 비마르코프 경우로의 해의 확장으로 시스템-환경 동역학의 기억 효과를 포착하는 것.
• $l_1$-노름과 상대 엔트로피를 사용하여 양자 희귀성을 정량화하고, 콘쿠르런스를 사용하여 얽힘을 측정하는 것.
• 비교형 비가환성 기반의 비고전성 측정치를 도입하고, 생성된 양자 피셔 정보의 상한과 하한을 유도하는 것.
• 글로벌 상호작용 강도와 시간에 따른 희귀성, 얽힘, 비고전성의 진화를 수치적 및 해석적으로 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글로벌 시스템-bath 상호작용은 개방 양자 시스템에서 양자 희귀성의 감쇠 및 복귀 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어떤 조건에서 글로벌 상호작용이 얽힘과 희귀성을 동결 또는 안정화시키며, 특히 고온 환경에서 어떻게 작용하는가?
• RQ3 환경의 비마르코프성 기억 효과가 글로벌 결합을 통해 양자 상관관계 재생을 얼마나 강화하는가?
• RQ4 글로벌 환경 상호작용에 의해 양자 피셔 정보는 어떻게 생성되며, 희귀성 및 비고전성과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 양자 피셔 정보는 비고전성의 신뢰할 수 있는 지표로 기능할 수 있으며, 희귀성 및 비고전성과 비교해 볼 때 어떤가?

주요 결과

• 고온 환경에서는 글로벌 상호작용 강도를 높일수록 희귀성과 얽힘 둘 다 동결 행동을 보이는 한계 조건에 도달한다.
• 영온도 환경에서는 글로벌 상호작용가 양자 희귀성을 안정화하고 일정 기간 동안 강화하며, 희귀성과 얽힘은 주기적인 복귀를 보인다.
• 비마르코프성 기억 효과는 환경에서 시스템으로의 정보 역류를 강화하여 희귀성과 얽힘의 재생을 가능하게 하며, 이는 글로벌 결합에 의해 더욱 증폭된다.
• 양자 피셔 정보는 비고전성에 의해 하한을 이루며(계수 1/4), $l_1$-노름 희귀성에 의해 상한을 이루며(계수 1/2) 이는 비고전성 지표로서의 역할을 확인한다.
• 희귀성이 비고전성 또는 양자 피셔 정보보다 비고전성의 더 강력한 지표임이 밝혀져, 희귀성이 더 많은 비고전적 내용을 담고 있음을 시사한다.
• 글로벌 상호작용는 디코herence를 억제하는 자원으로 작용하며, 비마르코프성의 비트레이스러운 역할이 양자 자원을 유지하는 데 기여함을 보여준다.