[论文解读] Evolution of coherence and non-classicality under global environmental interaction

Samyadeb Bhattacharya, Subhashish Banerjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本文提出了一种开放量子系统中全局系统-环境相互作用的主方程，表明全局环境耦合可抑制退相干，并实现非马尔可夫性导致的量子相干性和纠缠的复兴。对于零温环境，增强全局相互作用强度可增强并稳定非经典关联，而量子费舍尔信息的生成受相干性和非经典性度量的约束，揭示了其作为非经典性指标的作用。

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.

研究动机与目标

• 为开放量子系统中的全局系统-环境相互作用建立主方程，特别是在非马尔可夫条件下。
• 分析此类全局相互作用下量子相干性和纠缠的动力学，特别是在高温和零温环境中的表现。
• 研究全局环境耦合如何影响非马尔可夫性导致的信息回流以及量子关联的再生。
• 量化由全局环境相互作用生成的量子费舍尔信息，并将其与非经典性及相干性度量关联。
• 阐明相干性、非经典性与量子费舍尔信息作为非经典性度量之间的关系。

提出的方法

• 为耦合至谐振子环境的两比特系统构建非马尔可夫主方程。
• 在马尔可夫极限下，对高温和零温热环境精确求解主方程。
• 将解扩展至零温非马尔可夫情形，以捕捉系统-环境动力学中的记忆效应。
• 使用 $l_1$-范数和相对熵量化量子相干性，使用 concurrence 量化纠缠。
• 引入基于非对易性的非经典性度量，并推导生成的量子费舍尔信息的边界。
• 通过数值与解析方法分析相干性、纠缠和非经典性随全局相互作用强度与时间的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 全局系统-环境相互作用如何影响开放量子系统中量子相干性的衰减与复兴动力学？
• RQ2 在何种条件下，全局相互作用会导致纠缠和相干性的冻结或稳定化，特别是在高温环境中？
• RQ3 环境中的非马尔可夫记忆在多大程度上通过全局耦合增强量子关联的再生？
• RQ4 全局环境相互作用如何生成量子费舍尔信息，其与相干性和非经典性之间有何关系？
• RQ5 量子费舍尔信息能否作为非经典性的可靠度量？其与相干性和非经典性相比表现如何？

主要发现

• 在高温环境中，随着全局相互作用强度增加，相干性和纠缠均趋于冻结行为的极限状态。
• 在零温环境中，全局相互作用不仅稳定了非经典关联，还在有限时间内增强了非经典关联，相干性和纠缠表现出周期性复兴。
• 非马尔可夫记忆增强了环境向系统的信息回流，从而实现相干性和纠缠的再生，而全局耦合进一步放大了这一效应。
• 量子费舍尔信息受非经典性下界约束（因子 1/4），并受 $l_1$-范数相干性上界约束（因子 1/2），确立了其作为非经典性度量的作用。
• 发现相干性作为非经典性的指示器比非经典性或量子费舍尔信息更强，表明相干性蕴含更多的非经典内容。
• 全局相互作用有效充当一种资源，对抗退相干，展示了非马尔可夫性在保护量子资源方面的重要非平凡作用。