量子系统相干性的消失从量子力学的建立开始就一直是量子力学的核心问题。通常的认识是孤立量子系统没有环境与之发生相互作用, 不会发生任何量子退相干。而最近一项研究则揭示了即使一直隔绝环境, 孤立量子系统的相干性还是可能会丢失。

量子世界与经典世界边界

图片来源: W.H. Zurek, PhysicsToday 44(10), 36 (1991). http://dx.doi.org/10.1063/1.881293

研究相关的论文题为: “Spontaneousdecoherence of coupled harmonic oscillators confined in a ring”, 为近期出版的SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy 2018年第61卷第4期的研究文章, 由深圳大学龚志瑞副教授担任通讯作者撰写。研究者们演示了一个特定的孤立量子系统有可能通过边界条件引入的规范从而丢失量子相干性。

由于量子计算机和量子通信在近几年迅猛发展, 量子系统的退相干这个古老的问题再一次被摆到桌面上, 在量子纠错、量子态传输、量子控制等量子信息技术领域扮演越来越重要的角色。一个孤立的量子系统究竟会不会发生退相干?这个问题不光吸引理论物理学家的注意, 也吸引了不少实验物理学家为之努力。例如维也纳科技大学的JörgSchmiedmayer教授在原子芯片上演示了孤立的冷原子体系的质心自由度相关的关联函数会自发消失。但是在类似的研究中, 由于仍然存在质心自由度与相对运动自由度的隐蔽相互作用, 所以不能称为真正的孤立量子体系。

针对孤立量子系统退相干这个问题, 研究者们详细考察了一个约束在环上的多粒子系统。在这个系统中引入粒子之间两体周期性谐振子势时, 系统的质心自由度可以作为孤立量子系统从所有振动模式中分离出来。然而, 由于周期性对称的边界条件以及波函数的单值性要求, 在边界上不同自由度上的波函数会自发出现一个与质心相关的规范相位。这个规范相位的存在使得质心自由度和相对运动自由度“耦合”起来, 最终导致了量子退相干。这个退相干神奇之处在于不是来自直接或者间接的相互作用, 而是由量子系统的空间几何和对称性所决定。

这一研究结果丰富了对孤立量子系统的退相干问题的研究, 揭示了空间几何和对称性导致量子退相干的机制。该研究不仅对研究量子-经典边界等量子力学基本问题有着十分重要的科学意义, 对量子信息技术发展也有参考价值。

该项研究得到了国家自然科学基金(GrantNos. 11504241, and 11374032)和国家重点基础研究发展计划 (Grant No.2014CB848700)的资助。

更多详情请阅原文:

GongZhiRui, Zhang ZhenWei, Xu DaZhi, Zhao Nan, and Sun ChangPu, Spontaneousdecoherence of coupled harmonic oscillators confined in a ring, SCIENCE CHINAPhysics, Mechanics & Astronomy, 2018, vol.6, No. 4: 040311

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/61/4/10.1007/s11433-017-9101-4?slug=full%20text

https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-017-9101-4