[论文解读] Detecting Non-Markovianity via Quantified Coherence: Theory and Experiments

Kang‐Da Wu, Zhibo Hou+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Neural dynamics and brain function参考文献 35被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，利用基于量化相干性的相对熵（QI-REC）检测开放量子系统中的非马尔可夫性。在马尔可夫动力学下，QI-REC表现出单调衰减；在非马尔可夫动力学下，则呈现非单调行为。作者从理论上将CP-可分性与QI-REC的单调性联系起来，并通过全光学实验平台实验证明，QI-REC能够准确捕捉信息回流现象，并增强非马尔可夫过程中相干性的生成，从而提供一种基无关、鲁棒的检测框架，适用于一般量子演化过程。

ABSTRACT

The dynamics of open quantum systems and manipulation of quantum resources are both of fundamental interest in quantum physics. Here, we investigate the relation between quantum Markovianity and coherence, providing an effective way for detecting non-Markovianity based on the extit{quantum-incoherent relative entropy of coherence} ($\mathcal{QI}$ REC). We theoretically show the relation between completely positive (CP) divisibility and the monotonic behavior of the $\mathcal{QI}$ REC. Also we implement an all-optical experiment to demonstrate that the behavior of the $\mathcal{QI}$ REC is coincident with the entanglement shared between the system and the ancilla for both Markovian and non-Markovian evolution; while other coherence-based non-Markovian information carriers violate monotonicity, even in Markovian processes. Moreover, we experimentally observe that non-Markovianity enhances the ability of creating coherence on an ancilla. This is the first experimental study of the relation between dynamical behavior of the $\mathcal{QI}$ REC and the phenomenon of information backflow. Moreover, our method for detecting non-Markovianity is applicable to general quantum evolutions.

研究动机与目标

• 建立量子马尔可夫性与量化相干性（特别是QI-REC）动力学行为之间的联系。
• 解决现有基于相干性的非马尔可夫性度量方法的局限性，这些方法依赖于基的选择，且在一般演化过程中无法检测非马尔可夫性。
• 开发一种基无关、实验可行的QI-REC方法，用于检测非马尔可夫性，且对相位误差具有鲁棒性。
• 通过实验验证非马尔可夫动力学能够增强对辅助系统相干性的生成，且QI-REC的行为与系统-辅助系统纠缠及信息回流密切相关。
• 展示基于QI-REC的方法在真实世界光学量子平台中对马尔可夫与非马尔可夫量子演化均具有适用性。

提出的方法

• 理论分析表明，CP-可分（马尔可夫）动力学意味着QI-REC的单调衰减，而非马尔可夫动力学则导致非单调行为。
• QI-REC被定义为系统与辅助系统之间相干性的相对熵，用于量化在非相干操作下系统-辅助系统复合态中的相干性。
• 采用偏振编码光子量子比特的全光学实验，通过受控的环境耦合模拟马尔可夫与非马尔可夫退相干过程。
• 利用20°方向的四分之一波片实现相位补偿，以抵消不必要的动力学相位，确保相干性度量的准确演化。
• 通过波片和偏振分束器进行量子态层析，重建密度矩阵，从而直接计算QI-REC及其他相干性度量。
• 通过将QI-REC的动力学与系统-辅助系统之间的纠缠动力学进行比较，验证了该方法的有效性，发现在非马尔可夫演化下二者表现出强烈一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在马尔可夫动力学下，QI-REC是否表现出单调性，而非马尔可夫动力学下是否呈现非单调性？
• RQ2 QI-REC能否作为一般量子演化中检测非马尔可夫性的基无关度量？
• RQ3 QI-REC与系统-辅助系统之间信息回流及纠缠动力学有何关联？
• RQ4 与其它基于相干性的度量相比，QI-REC在实验相位误差下是否更具鲁棒性？
• RQ5 非马尔可夫动力学是否能通过QI-REC量化的方式增强对辅助系统相干性的生成能力？

主要发现

• 在马尔可夫动力学下，QI-REC表现出单调衰减，证实其与CP-可分性一致，且无信息回流。
• 在非马尔可夫动力学下，QI-REC呈现非单调行为，直接与信息回流及系统-辅助系统之间纠缠的恢复相关联。
• 其他基于相干性的度量（如局部相干性与标准相对熵相干性）即使在马尔可夫过程中也违反单调性，凸显了QI-REC的优越性。
• 由于QI-REC依赖于系统-辅助系统之间的关联，其在实验中对相位误差具有鲁棒性，而局部相干性度量则对相位漂移敏感。
• 非马尔可夫过程增强了对辅助系统相干性的生成能力，表现为QI-REC的增加，证明其在信息恢复中的作用。
• 实验结果证实，QI-REC是开放量子系统中检测非马尔可夫性的可靠、基无关且实验可行的指标。