[论文解读] Sudden death and robustness of quantum discord and entanglement of two atoms in dissipative cavities in dispersive limit

Jian-Song Zhang, Chen Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2011

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究在反超失谐极限下，研究了两个两能级原子分别耦合至独立退相干腔场时量子失谐与纠缠的动力学行为。通过主方程方法，表明在短期内，量子纠缠突然消失（ESD）与量子失谐突然消失（DSD）均可发生，但长期来看，两类关联均能持续存在。关键的是，长期存在的纠缠可超过长期存在的量子失谐，表明在此系统中，纠缠在退相干作用下可能比量子失谐更具鲁棒性。

ABSTRACT

The quantum dynamics of two entangled two-level atoms initially in extended Werner-like (EWL) states is studied. Each of the two atoms is located within an isolated and dissipative cavity. If the interaction time of atoms and cavities is not very long, the amount of quantum discord and entanglement between two atoms decreases as the system evolves. The sudden death of quantum discord and entanglement of two atoms occurs within a short interaction time. However, after a long interaction time, quantum discord and entanglement of two atoms could be partially preserved due to the long-lived nature of quantum discord and entanglement. Surprisingly, we find the amount of long-lived quantum discord could be smaller than that of long-lived entanglement. Thus, entanglement may be more robust than quantum discord against decoherence.

研究动机与目标

• 研究两个原子耦合至耗散腔场时，量子失谐与纠缠的短期与长期动力学行为。
• 确定在存在纠缠突然消失（ESD）的系统中，是否会发生量子失谐突然消失（DSD）。
• 考察初始态纯度（以参数p表征）对量子关联长期存活的影响。
• 比较量子失谐与纠缠在腔场诱导退相干下的鲁棒性。
• 探讨腔场耗散对量子关联生成与保持的影响。

提出的方法

• 在微扰理论基础上，通过约化哈密顿量建模空间分离的两个两能级原子在反超失谐近似下的系统，其哈密顿量基于微扰理论推导。
• 采用主方程方法描述开放量子系统的动力学，通过超算符𝒟引入腔场退化，退化率为γ。
• 将原子系统初始化为纯度参数为p的Werner态，腔场初始化为相干态（α = 0.5 或 1）。
• 计算量子失谐与concurrence（纠缠度量）随归一化时间Ωt与退化率γ/Ω的变化关系。
• 通过数值模拟分析短期衰减行为（包括ESD与DSD）及长期渐近行为。
• 在不同初始纯度值（p = 0.5 与 p = 0.8）下比较结果，评估长期关联对初始态的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观察到纠缠突然消失（ESD）的系统中，是否会发生量子失谐突然消失（DSD）？
• RQ2 原子态的初始纯度（p）如何影响量子失谐与纠缠的长期存活？
• RQ3 在耗散腔量子电动力学系统中，量子失谐是否比纠缠更具鲁棒性？
• RQ4 尽管是退相干的来源，腔场耗散是否可能对维持量子失谐起到建设性作用？
• RQ5 在渐近极限（t → ∞）下，长期存在的量子失谐与长期存在的纠缠的相对大小如何？

主要发现

• 对于非极长的相互作用时间，短期动力学中同时发生纠缠突然消失（ESD）与量子失谐突然消失（DSD）。
• 当p = 0.5时，长期存在的量子失谐超过长期存在的纠缠，与先前研究结果一致。
• 当p = 0.8时，长期存在的纠缠超过长期存在的量子失谐，表明在退相干作用下，纠缠可能比失谐更具鲁棒性。
• 尽管存在腔场耗散，量子失谐与纠缠的长期存活现象仍被观察到，表明其部分保留。
• 如图3所示，腔场耗散可在某些条件下对维持量子失谐起到建设性作用，使失谐不仅存活，甚至有所增加。
• 纠缠与失谐的相对鲁棒性并非普适，而是关键取决于初始态纯度p，这挑战了关于失谐具有更强抗干扰能力的一般性结论。