论文摘要
新兴的量子信息科学,包括量子调控、量子计算与量子通信领域,无不有赖于小尺寸器件之间的量子相干性,无不希望量子器件能够不受外界环境的影响或减小环境的影响。但是因为具有可扩展性（scalability）而备受推崇的固态量子器件-量子点器件和超导器件,所受环境影响较大,是耗散系统。所以研究环境对量子系统的影响,以便减缓环境对其包围下的量子系统的耗散、退相干、退纠缠等负面作用,就成为当今非常重要的课题。虽然在耗散量子系统领域,前人已经在理论的很多方面都取得了积极进展,但是前人的解析工作都是基于旋转波近似和马尔可夫近似基础上的。这些近似方法在处理与环境耦合较强的固体量子系统退相干、退纠缠动力学行为时,受到了局限,需要改进,特别是对于量子信息关注的短时相干行为。本文中,我们介绍一种新的解析方法-基于幺正变换下的微扰理论,并且把此理论应用到具体的实验模型中,推导了耗散二能级系统非马尔可夫退相干和退纠缠动力学。整篇论文共分六章。在第一章中,我们介绍了耗散二能级系统问题的来源、理论模型和前人典型的研究方法-马尔可夫近似,并详细介绍了我们的方法。在第二章中,采用基于幺正变换的微扰方法,我们研究了具有静置偏压的半导体电荷qubit的动力学行为,结果可以推广到各种谱密度的耗散环境和初始条件。为了和前人理论以及近期实验结果比较,我们采用了欧姆谱和压电谱密度的环境。通过计算,得出了布局数P（t）、阻尼率和振荡频率的解析表达式。研究结果发现:当qubit和环境耦合比较弱时,qubit的相干频率较大,相干时间较长。当两个qubit之间的隧穿耦合一定时,有限的偏压可以有效地增大振荡频率,而对阻尼率的影响很小,这为保持量子相干性提供了一个有效的方法。在第三章中,采用基于幺正变换的微扰方法,我们研究了驱动spin-boson模型的动力学,得到了在微波驱动下二能级系统的粒子数反转和相干性的解析表达式。结果表明:当系统和环境的耦合较弱时,变化初始条件,粒子束翻转是阻尼的相干振荡（单频或双频）,相干性以Rabi频率阻尼振荡。当驱动足够强时,粒子束翻转则可以出现无阻尼的大幅度相干振荡。而且,我们的方法可以自然的趋向无耗散和无驱动两种极限情况下前人的结果。在第四章中,我们用基于幺正变换的微扰方法研究了两个qubit系统处在各自局域环境下的退纠缠动力学。研究表明:当qubit和环境耦合较弱时,在特定的初始纠缠态下,退纠缠是以e指数形式完成的。增强qubit系统与环境的耦合,即使耗散环境在零温条件下,共生纠缠度（concurrence）也以Entanglement Sudden Death（ESD）的形式退纠缠。在第五章中,我们研究了两个完全相同的qubit在一个耗散环境中的退纠缠动力学。考虑非旋转波项和非马尔可夫短时间的动力学,我们仍然采用基于幺正变换的微扰方法。研究表明,当两个qubit相距足够远时,模型可以退回到两个qubit分别与各自独立的局域环境相互作用。本节还详细讨论了耗散环境和两个qubit间距对四个Bell基共生纠缠度动力学的影响。当两个qubit相距较近时,出现了一些新的行为。第六章给出本文主要结论和研究前景。以上研究得到了国家自然科学基金（10474062和90503007）和教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队计划（IRT0524）的资助。
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