由于环境具有复杂的自由度，人们很难实现对环境的调控，使之从马尔可夫环境变成为非马尔可夫环境

中科院量子信息重点实验室实现对开放量子系统环境的调控：从马尔可夫到非马尔可夫的突变

近日，我校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室再次取得重要进展。该实验室李传锋研究组与芬兰和德国的研究组合作，在实验上实现了对开放量子系统环境的调控，观察到了开放系统演化的马尔科夫过程到非马尔科夫过程的突变现象。这一工作刊登在12月3日的《Nature Physics》上，该杂志同期的“News and views”栏目以“Environmental effects controlled”为题专门报道了这项工作。 开放系统的研究源远流长，历久弥新。早在一百多年前，俄国数学家马尔科夫就开始了无记忆性随机过程的研究。在这类过程中，系统的信息单向地流入环境中，就像小河里的水流入大海中一样，一去不复返，这就是所谓的开放系统的马尔科夫过程。但是随着实验技术的不断提高，人们在越来越多的体系中发现，有些情况下系统流入环境中的信息可以部分甚至全部地流回到系统中，就像在涨潮的时候流入大海里的河水有可能会暂时地回流到河中一样。这类过程被称为非马尔科夫过程。 具有马尔可夫特性的环境会不可避免地破坏量子系统的量子相干性，这就是所谓的消相干效应，它是实现量子计算和其他量子信息功能的主要障碍。这种情况下量子信息单向地流失到环境中去，而环境馈还给系统的都是噪声。但如果环境是非马尔科可夫性的，那么它就能将量子信息返还回量子系统，这样的环境可以用来构造量子信息存储器。然而，由于环境具有复杂的自由度，人们很难实现对环境的调控，使之从马尔可夫环境变成为非马尔可夫环境。 中科院量子信息重点实验室首次实现了对开放量子系统环境的这种调控。研究人员利用非线性晶体的自发参量下转换过程制备出高纯度纠缠光子对，并将其中一个光子的偏振比特作为量子系统，其频率（或者说波长）作为环境，然后通过石英片的双折射效应把量子系统与环境耦合起来，实现量子系统在环境中的演化。他们创造性地在光路中加入特制的法布里-玻罗腔，通过改变法布里-玻罗腔的转动角度，利用另外一个光子辅助探测，观察到开放系统的动力学演化在马尔科夫过程和非马尔科夫过程之间的突变现象：即转动到某个角度，环境的马尔可夫性突然消失，变成非马尔可夫环境，而当继续转动到另一个角度时，环境的非马尔可夫性又突然消失，变成马尔可夫环境。从而实现了对环境（光子频率）的调控。 该项研究工作中对环境的操控技术将有力地推动对噪声环境中纠缠态的调控、耗散式量子计算、量子存储以及量子度量学等方向的研究。同时，这一研究工作开创了非马尔科夫过程定量研究的先河，将会对开放系统的研究产生重要影响。