Markovian特性的环境会不可避免地破坏量子系统的量子相干性

一百多年前, 俄国数学家Markovian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Markovian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[63–69], 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Non-Markovian过程.

一般情况下, 处理开放系统时会用Markovian近似, 即对感兴趣的系统来说, 环境的记忆可以忽略不计. 系统将来的演化只与现在有关, 与过去无关. 利用Lindblad方程求解[70]. 对于不能用Markovian近似的过程只能定性地说是Non-Markovian过程. 但是最近几年, 科学家们提出了几种Non-Markovian性的定义[8], 使得Non-Markovian过程的定量研究成为可能.

具有Markovian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Markovian环境变成为Non-Markovian环境.

量子信息重点实验室组首次实现了对开放量子系统环境的这种调控[71]. 实验装置如图5所示. 我们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. 我们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Markovian过程和Non-Markovian过程之间的突变现象.

本实验的关键在于引入特制的法布里-玻罗腔来实现对开放量子系统(偏振比特)的环境(频率)的调控. 工作原理如图6 所示, 法布里-玻罗腔所在光路中的干涉滤波片的带宽约为4 nm, 当转动法布里-玻罗腔到一定角度的时候, 比如6°左右, 则带宽范围内只有一个透过峰, 可以看做是白噪声, 则对应的环境为Markovian环境. 当转动法布里-玻罗腔到另外的角 度, 如9°或者1.5°左右时, 带宽范围内有两个透过峰, 这时开放系统的演化就存在拍的现象, 这时的环境为Non-Markovian环境.

实验的主要结果如图7 所示, 横坐标为法布里-玻罗腔的转动角度, 纵坐标为Non-Markovian性的定量度量. 当法布里-玻罗腔转动到某个角度(约4.1°), 环境的Markovian性突然消失, 变成Non-Markovian环境, 而当继续转动到另一个角度时(约8°), 环境的

图
5 (网络版彩图)环境调控与开放系统动力学演化实验

装置图
[71]

Figure 5

(Color online)Setup of experiment on environmental

control and dynamics of open system [71].
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