2個二能級原子與最小熱環(huán)境作用系統(tǒng)中的量子特性

朱冬梅, 薩楚爾夫， 蘇少龍

(內(nèi)蒙古師范大學 物理與電子信息學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

2個耦合原子與光場相互作用系統(tǒng)中呈現(xiàn)出的量子現(xiàn)象是量子光學研究領域中引人注目的研究課題之一.而這一相互作用系統(tǒng)中的量子糾纏作為一種重要的物理資源，可在量子信息科學中發(fā)揮十分顯著的作用.在實際情況中，由于真實的量子系統(tǒng)不可避免地會與環(huán)境耦合而產(chǎn)生相互作用，這種耦合作用會破壞系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)間的量子糾纏或相干性，使系統(tǒng)本身所具有的量子特性受到影響，如會導致退相干現(xiàn)象的發(fā)生[1]等.近年來，與環(huán)境相互作用的量子耦合系統(tǒng)的動力學問題[2-7]是研究人員感興趣的課題之一.對于一個復合量子系統(tǒng)，可以通過考慮子系統(tǒng)之間的相互作用得到表征系統(tǒng)演化的動力學主方程.研究發(fā)現(xiàn)，在不同環(huán)境條件下主方程演化形式存在著一定的差異[8].在不同相互作用條件下，因系統(tǒng)的主方程演化形式不同，從而導致不同的結果.研究結果[9-10]還表明，環(huán)境因素對量子系統(tǒng)的演化起重要作用，這意味著需要對環(huán)境因素進行更精細的劃分，才能使所得耦合系統(tǒng)的主方程更準確地表征演化過程.因此，就有關問題分類從而進行細致的研究是十分必要的.

目前人們對量子系統(tǒng)可實施的調(diào)控手段和途徑越來越多，其中具有較少自由度的微小環(huán)境對所研究系統(tǒng)量子特性演化的影響，吸引了不少研究者的興趣.這些系統(tǒng)受到關注的原因主要包括：這類耦合量子系統(tǒng)的某些物理特征量可解析表示，便于分析過程和討論結果；微小環(huán)境與所研究系統(tǒng)的耦合也可產(chǎn)生明顯的擾動[11-13]，使系統(tǒng)的演化產(chǎn)生較明顯的變化，故利用此簡單模型可深入了解環(huán)境因素對系統(tǒng)演化的影響.具體而言，考慮一個與熱環(huán)境耦合的2原子相互作用系統(tǒng)[4]的模型，假設其中原子1是孤立的，原子2與單模熱輻射場相互作用，這里熱輻射場可以起到微小環(huán)境的作用.利用這一相互作用模型，可研究在不同溫度、不同耦合強度下，系統(tǒng)中2原子間的量子糾纏和相干演化特性.在以往的研究中，主要考慮了初始時刻上述系統(tǒng)中2原子處于非糾纏分離態(tài)的情況；而系統(tǒng)中2原子處于糾纏態(tài)時，輻射場處于不同溫度、原子與輻射場相互作用強度、原子與原子相互作用強度對系統(tǒng)中原子間糾纏和相干演化的影響還未見報道.

本文中，筆者研究了上述系統(tǒng)中2原子處于糾纏態(tài)，在給定參數(shù)條件下，系統(tǒng)中2原子間的糾纏、相干特性和線性熵隨時間的演化特性.

1 理論模型及推導

討論由2個二能級原子和1個量子化熱輻射場所組成的系統(tǒng)，其中一個原子不與輻射場耦合，而另一個原子與單模輻射場耦合.假設原子的躍遷頻率與原子和場之間相互作用的共振頻率相等(ω1=ω2=ω)，則系統(tǒng)的哈密頓量可寫為(?=1)

(1)

ρI(t)=e-iH1tρ(0)eiH1t,

(2)

ρ(0)=ρq1,q2(0)?ρf(0),

(3)

(4)

(5)

頻率為ω單模熱場態(tài)的光子數(shù)分布如下(T為有效溫度)：

(6)

在相互作用繪景中，系統(tǒng)的態(tài)矢演化服從薛定諤方程

(7)

此系統(tǒng)的態(tài)矢為

|ψI(t)〉=C1,n(t)|e1,e2,n-1〉+C2,n(t)|e1,g2,n〉+

C3,n(t)|g1,e2,n〉+C4,n(t)|g1,g2,n+1〉.

(8)

將上述關系式代入薛定諤方程，得到系數(shù)Cj,n的耦合微分方程組

(9)

因此系統(tǒng)的解可以表示為

(10)

矩陣元中的n表示光子數(shù)，n=1,2,3,….

求解方程組(9)，(10)，經(jīng)過較冗長的計算可得以上公式中的系數(shù)表達式

(11)

其中

(12)

若初始條件滿足

(13)

此時幾率振幅Cj,n(t)可表示為

(14)

因此系統(tǒng)的時間演化密度算符為

(15)

通過對場取跡ρq1,q2(t)=Trf[ρI(t)],可將2個二能級原子系統(tǒng)的約化密度算符表示為

(16)

這種類型的態(tài)被稱為X態(tài)[14].

2 微小環(huán)境對系統(tǒng)中雙原子間糾纏的影響

原子與原子間的相互作用導致2原子間的量子糾纏效應.為度量2子系統(tǒng)之間的糾纏，Wootters引入了共生糾纏度C[15]來表征2個子系統(tǒng)之間的量子糾纏.C定義為

(17)

其中ξi是厄米矩陣M(t)的本征值，σy是泡利矩陣

(18)

共生糾纏度的取值范圍為0～1，共生糾纏度值越大，糾纏越強.對于非糾纏態(tài)，C=0；而C=1則意味著系統(tǒng)處于最大糾纏態(tài).

由以上可知,此2原子的密度算符ρq1,q2(t)可表示為

(19)

(20)

對于X態(tài)的特殊情況，可將Λ(t)表示為

(21)

下面通過數(shù)值模擬的方法，利用初始條件以及關系式(17)～(21)，討論在給定耦合強度和溫度下，2原子間的共生糾纏度隨時間的變化情況.

圖1 g=0.1λ，不同時間尺度下,2原子系統(tǒng)共生糾纏度隨時間的變化曲線Fig.1 Concurrence of the Two-qubit System as a Function of Time for g=0.1λ and for Different Time-scales

圖2 g=0.5λ,不同時間尺度下,2原子系統(tǒng)共生糾纏度隨時間的變化曲線Fig.2 Concurrence of the Two-qubit System as a Function of Time for g=0.5λ and for Different Time-scales

3 雙原子系統(tǒng)的量子相干性及線性熵

3.1 量子相干性

量子相干性是量子理論中的基本概念，也是一種可以利用的資源[19].系統(tǒng)相干性可利用復合系統(tǒng)中2個原子間的約化密度矩陣的非對角元來表示，相干性的量化形式可通過定義的Cl1給出表達式

(22)

利用(22)分析有關參量對Cl1隨時間演化的影響.由圖3和圖4可見，演化曲線從不規(guī)則逐漸趨于穩(wěn)定，但并沒有出現(xiàn)相干為0的現(xiàn)象.對于弱耦合情形(g=0.1λ)，圖3a～c所示的相干演化曲線與量子糾纏演化曲線非常相似.隨時間的延長振幅短期內(nèi)連續(xù)下降，但在后期出現(xiàn)了塌縮復原再塌縮再復原的準周期行為；增大平均光子數(shù)，Cl1演化曲線整體下移，表明量子相干性減小，觀察可知函數(shù)值的取值范圍變大，即振蕩幅度變大.由圖3e可見，Cl1取值逐漸趨于0.9，在長時間尺度圖3f中可以觀察到，演化曲線出現(xiàn)塌縮—復原現(xiàn)象，與圖3c相比，平均光子數(shù)越大，塌縮—復原的間隔時域越長.

圖3 g=0.1λ，不同時間尺度下，2原子系統(tǒng)量子相干隨時間的變化曲線Fig.3 Quantum Coherence of the Two-qubit System as a Function of Time for g=0.1λ and for Different Time-scales

圖4 g=0.5λ,不同時間尺度下，2原子系統(tǒng)量子相干隨時間的變化曲線Fig.4 Quantum Coherence of the Two-qubit System as a Function of Time for g=0.5λ and for Different Time-scales

由圖4可見，在較強耦合情況下(g=0.5λ)，相干退化現(xiàn)象更明顯.與圖2相比，在初始時刻，Cl1=1，相干性最強，整個演化過程中未出現(xiàn)完全退相干現(xiàn)象.由圖4d～f可見，增大平均光子數(shù)相干演化曲線下移，表明平均光子數(shù)增大使2原子相干性減小，而且無論在強或弱耦合條件下，在長時域上(圖3e、圖4e)可觀察到相干特性隨時間的劇烈無規(guī)則振蕩行為.

3.2 第1個原子的線性熵

為研究第1個原子的動力學演化過程，需求出其約化密度算符.通過對第2個原子q2和輻射場f取跡，可得第1個原子的約化密度算符ρq1(t)=Trq2,f[ρI(t)]，則有

ρq1(t)=ρee(t)|e1〉〈e1|+ρgg(t)|g1〉〈g1|+ρeg(t)|e1〉〈g1|+ρge(t)|g1〉〈e1|.

(23)

為了描述第1個原子狀態(tài)的純度，可引入線性熵[20]的概念.線性熵可定義為

(24)

(25)

線性熵可表示2個子系統(tǒng)之間關聯(lián)的程度，子系統(tǒng)之間的關聯(lián)越緊密糾纏也越強.粒子數(shù)反演是與幾率振幅相關的物理量,也是原子與光場相互作用體系的重要特性之一，可以表示為上下兩能級間的概率之差

W(t)=ρee(t)-ρgg(t)=1-2ρgg(t).

(26)

結合以上公式，線性熵還可表示為

(27)

圖5 g=0.1λ，不同時間尺度下，2原子系統(tǒng)線性熵隨時間的變化曲線Fig.5 State Purity of the Qubit 1 as a Function of Time for g=0.1λ and for Different Time-scales

由圖5可知，在弱耦合下(g=0.1λ)，第1個原子的線性熵為0.499 5～0.500 0，振幅的變化幅度不大，在初始時刻，線性熵取最大值0.5.增大平均光子數(shù)，如圖5d～f所示，其時間演化曲線與圖5a～c相似，但振幅變化范圍縮小，振幅平均值略變大.與圖5相比，在強耦合下(g=0.5λ)，圖6呈現(xiàn)出與之不同的變化形式，其演化過程中取值更顯不規(guī)則.由圖6a可知，在t≈0.25 s時，S(t)取極小值，隨時間的延長，振幅變化無規(guī)則，在長時域圖6c中可以看到，線性熵在0.455～0.500時形成劇烈無規(guī)則振蕩.當平均光子數(shù)較大時，即圖6d～f，短時間尺度內(nèi)，在初始階段線性熵取最大值0.5，其振幅變化較小.對比圖6c與圖6f可知，平均光子數(shù)變大，線性熵的取值范圍上移.同時圖5和圖6反映出演化的共同特點，即隨著時間的延長，小微外環(huán)境對耦合系統(tǒng)的影響逐漸發(fā)揮作用，從而觀察到耦合系統(tǒng)中有關的量子特性隨環(huán)境參量的變化，小微外環(huán)境導致演化過程發(fā)生顯著改變.

圖6 g=0.5λ，不同時間尺度下，2原子系統(tǒng)線性熵隨時間的變化曲線Fig.6 State Purity of the Qubit 1 as a Function of Time for g=0.5λ and for Different Time-scales

4 結 論

研究了2個二能級原子系統(tǒng)與小微環(huán)境相互作用的簡單模型，其中一個原子孤立，另一個原子與單模熱場耦合，系統(tǒng)中2原子初態(tài)處于最大糾纏態(tài)，分別討論了弱、強耦合作用下，場的平均光子數(shù)取不同值對2原子間糾纏、相干特性及線性熵的影響.結果表明：在弱耦合作用下，共生糾纏度的整體取值較大，演化過程中出現(xiàn)了振蕩的塌縮與復原再塌縮再復原的準周期行為.對于強耦合情況，原子間糾纏明顯減弱，隨著時間的延長，共生糾纏度表現(xiàn)出鋸齒型的劇烈振蕩行為.無論強、弱耦合作用，平均光子數(shù)增大時，共生糾纏度演化過程中2原子間糾纏減小.另外，在強耦合且平均光子數(shù)較大時，出現(xiàn)了在一定時域內(nèi)糾纏消失的情況，即量子糾纏突然死亡又再生的現(xiàn)象.觀察熱環(huán)境對系統(tǒng)相干性演化過程的影響可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)相干特性的時間演化過程與糾纏的演化過程相似，不同之處在于沒有出現(xiàn)相干消失的現(xiàn)象，在弱耦合作用下相干性也出現(xiàn)了塌縮—復原的準周期行為，在較長尺度上呈現(xiàn)為不規(guī)則振蕩形式，對于強耦合情形，演化過程振蕩更劇烈，塌縮—復原的變化特征消失，表征系統(tǒng)相干特性的物理量平均值減小，即相干性整體減小.線性熵可表征原子態(tài)的純度，隨著時間的延長，弱耦合作用下隨光子數(shù)的變化，線性熵取值范圍略有變化，但在強耦合作用下，線性熵取值范圍隨平均光子數(shù)的增加而出現(xiàn)上移.總之，系統(tǒng)耦合強度以及代表熱環(huán)境參數(shù)的平均光子數(shù)，對2個二能級原子系統(tǒng)的共生糾纏度、量子相干和原子的信息熵演化都會產(chǎn)生顯著的影響.