[论文解读] Asymmetric steerability of quantum equilibrium and nonequilibrium steady states through entanglement detection

Kun Zhang, Jin Wang|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 83被引用 13

一句话总结

本文利用布洛赫-雷德菲尔德方程，研究了两个非简并量子比特在非对称（非平衡）环境中的非对称量子导引。结果表明，具有非零熵产生率的非平衡环境可增强某一方向上的导引能力，揭示了稳态下纠缠、导引与贝尔非定域性之间严格的层级关系。

ABSTRACT

Einstein-Podolsky-Rosen steering describes a quantum correlation in addition to entanglement and Bell nonlocality. However, conceptually different from entanglement and Bell nonlocality, quantum steering has an asymmetric definition. Motivated by the asymmetric definition of quantum steering, we study the steerability of two-interacting qubits, which have asymmetric energy levels, coupled with asymmetric environments. The asymmetric (nonequilibrium) environments are two environments with different temperatures or chemical potentials. The Bloch-Redfield equation is applied to study the dynamics of two qubits and its long-time behavior. In our study, the steady-state steerability is determined by an experimentally friendly steering criteria, which demonstrates steering through the entanglement detection. Our results show that the steady states of two asymmetric qubits have the advantage for one direction of steering, compared to the symmetric setup. We also provide analytical results on the minimal coupling strength between the two qubits in order to be steerable. The asymmetric steerability is collectively determined by the nature of the two qubits and the influence from equilibrium or nonequilibrium environments. Nonequilibrium environments with the cost of nonzero entropy production can enhance the steerability in one direction. We also show the strict hierarchy of entanglement, steering and Bell nonlocality of the nonequilibrium steady states, which shows a richer structure of steering than entanglement and Bell nonlocality.

研究动机与目标

• 研究能级非对称的两个相互作用量子比特在耦合至非对称环境时的导引能力。
• 确定非平衡环境（具有不同温度或化学势）对量子导引的影响。
• 在非平衡稳态中建立纠缠、导引与贝尔非定域性之间的层级关系。
• 基于最小耦合强度，提供导引能力的解析条件。

提出的方法

• 使用布洛赫-雷德菲尔德方程，对耦合至独立环境的两个量子比特的开放量子动力学进行建模。
• 应用一种实验友好的导引判据，基于纠缠检测来评估导引能力。
• 分析在平衡与非平衡条件下长期的稳态行为。
• 推导出实现导引所需的最小耦合强度的解析表达式。
• 与林德布拉德主方程对比，突出布洛赫-雷德菲尔德在捕捉相干性方面的优势。
• 将熵产生率作为与增强导引相关的热力学代价进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 非平衡环境是否能够以方向非对称的方式增强量子导引？
• RQ2 在非对称量子比特系统中，实现导引所需的最小耦合强度是多少？
• RQ3 与平衡态相比，非平衡稳态中纠缠、导引与贝尔非定域性的层级关系有何不同？
• RQ4 为何非对称能级结构能够实现单向导引，而对称系统则不能？
• RQ5 在非平衡条件下，熵产生率在多大程度上与增强的导引能力相关？

主要发现

• 具有不同温度或化学势的非平衡环境虽存在非零熵产生率，但可增强某一方向上的导引能力。
• 能量分裂不同的非对称量子比特表现出单向导引，而对称量子比特在相同纠缠检测标准下在任何方向均不显示导引能力。
• 实现导引所需的最小耦合强度已通过解析方法推导，其依赖于能级分裂与环境参数。
• 观察到严格的层级关系：在非平衡稳态中，纠缠 ≤ 导引 ≤ 贝尔非定域性，且仅导引具有非对称特征。
• 布洛赫-雷德菲尔德形式在捕捉相干性与非马尔可夫效应方面优于林德布拉德形式，从而能够准确表征非平衡稳态。
• 基于纠缠的导引判据可成功检测非对称导引，而线性导引不等式在部分纠缠混合态中失效。