广义量子主方程：教程综述和最新进展

广义量子主方程(GQME)为模拟嵌入在量子环境中的开放量子体系的约化动力学提供了一种通用且严格的计算方法. 开放量子体系的动力学在能量、电荷以及量子相干转移过程和光化学反应中至关重要. 量子系统通常被定义为我们感兴趣的自由度,例如捕光分子的电子态或凝聚态体系中的特定振动模式. 系统周围的环境也被称为热浴,必须考虑它对系统的影响. 例如,广义量子主方程理论中用投影算符方法对其进行描述. 本综述总结了广义量子主方程的两种标准形式,即时间卷积形式的Nakajima-Zwanzig GQME和无卷积形式的广义量子主方程. 在更流行的NZ-GQME形式中,记忆核刻画了非马尔可夫和非微扰效应,给出了约化密度矩阵的精确量子动力学. 总结了几种通过含有分子信息但无投影算符的时间关联函数作为输入信息,进而求解含投影算符的记忆核的方法. 特别值得一提的是近期提出的NZ-GQME改进版方法,该方法是基于将哈密顿量划分为更通用的对角和非对角部分. 上述系统相关的热浴时间关联函数可以通过数值精确或近似量子动力学方法计算. 本文将有助于理解广义量子主方程的理论背景,并且展望通过GQME与量子计算技术的结合解决使用当今最先进的经典超级计算机无法解决的与量子动力学和量子信息相关的复杂问题.     

广义量子主方程:教程综述和最新进展（英文）

广义量子主方程(GQME)为模拟嵌入在量子环境中的开放量子体系的约化动力学提供了一种通用且严格的计算方法.开放量子体系的动力学在能量、电荷以及量子相干转移过程和光化学反应中至关重要.量子系统通常被定义为我们感兴趣的自由度,例如捕光分子的电子态或凝聚态体系中的特定振动模式.系统周围的环境也被称为热浴,必须考虑它对系统的影响.例如,广义量子主方程理论中用投影算符方法对其进行描述.本综述总结了广义量子主方程的两种标准形式,即时间卷积形式的Nakajima-Zwanzig GQME和无卷积形式的广义量子主方程.在更流行的NZ-GQME形式中,记忆核刻画了非马尔可夫和非微扰效应,给出了约化密度矩阵的精确量子动力学.总结了几种通过含有分子信息但无投影算符的时间关联函数作为输入信息,进而求解含投影算符的记忆核的方法.特别值得一提的是近期提出的NZ-GQME改进版方法,该方法是基于将哈密顿量划分为更通用的对角和非对角部分.上述系统相关的热浴时间关联函数可以通过数值精确或近似量子动力学方法计算.本文将有助于理解广义量子主方程的理论背景,并且展望通过GQME与量子计算技术的结合解决使用当今最先进的经典超级计算机无法解决的与量子动力学和量子信息相关的复杂问题.     

自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚系统的孤子解

在旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中,孤子态作为宏观量子效应的典型状态,可以通过自旋-轨道耦合进行调控,这使得对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子的研究成为近年来超冷原子领域研究的重要课题之一.本文研究了描述一维自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚体Gross-Pitaevskii方程的精确求解,利用直接假设及可积约化方法,给出了系统多种类型的孤子解,讨论了相应的孤子动力学以及自旋-轨道耦合效应对系统的量子磁化和自旋-极化态的影响.     

玻色子多体系统的平均场理论:玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的冷却与激发

用量子主方程的平均场近似和代数动力学研究玻色-爱因斯坦凝聚体的sympathetic cooling; 用玻色-爱因斯坦凝聚体波函数的运动方程的平均场近似 非线性薛定谔方程研究玻色 爱因斯坦凝聚体的暗孤子和明孤子激发.     

夸克的半经典输运方程

对夸克的量子输运方程取半径典近似时保留到Wigner函数的一次微商项;在色空间和自旋空间展开这个半经典输运方程,得到了色单态自旋标量和色单态自旋矢量的输运方程:并把得到的结果和阿贝尔等离子体进行比较讨论了QGP的非阿见尔性质.     

一维自旋-1/2XY模型的磁场效应

本文主要利用Haldane的谐振流理论——玻色化方法研究外场中的自旋-1/2XY模型。本文首先将无磁场情况下该模型的哈密顿进行了玻色化与对角化,并单独讨论了磁场项,最后两者联合给出外磁场中一维自旋-1/2模型哈密顿的玻色化形式。在这种形式下哈密顿量中的协变问题可以通过平移费米点来解决,所以,在阿贝尔玻色化方案下对玻色场算符做了重新定义,得到一个新的协变的哈密顿,从而解决了由于扰动所带来的问题,各关联函数也随之给出;最后简单讨论了平移费米点给模型关联函数的表达式带来的变化,以及玻色化方法较之其他方法的优长。     

自旋相干态变换和自旋-玻色模型的基于变分法的基态解析解

提出一种基于自旋相干态变换求解自旋-玻色模型基态的变分法, 并将其用于单原子模型, 得到旋波近似和非旋波近似情形下的解析基态能量和波函数, 特别是在光场与原子的弱、强耦合区域都与数值对角化结果符合得很好. 另外, 该方法也可以直接用于求解任意原子数的Dicke模型基态和相应的量子相变研究, 而通常基于Holstein-Primakoff变换的变分法, 原则上只适用于原子数趋于无穷的热力学极限情形. 关键词： 自旋相干态 变分法 J-C模型     

多个子玻色-爱因斯坦凝聚气体膨胀叠加形成的量子涡旋现象研究

基于二维模型,研究了多个子玻色-爱因斯坦凝聚气体在谐振势阱内膨胀叠加形成的量子涡旋现象.运用传播子方法,分析了对称分布的三个子玻色-爱因斯坦凝聚气体膨胀叠加形成宏观量子涡旋的物理过程,得到量子涡旋随时间演化的规律;发现涡旋核分布在谐振势阱内出现振荡;涡旋与反涡旋随时间演化而相互转变,并对这些现象进行了物理分析.     

Kerr-Newman-de Sitter黑洞的统计熵

避开求解波动方程的困难，利用量子统计的方法，直接计算Kerr-Newman-de Sitter黑洞背景下玻色场和费米场的配分函数.然后利用砖墙膜模型计算和讨论黑洞背景下的玻色场和 费米场的熵. 关键词： 量子统计 砖墙膜模型 Kerr-Newman-de Sitter黑洞 统计熵     

两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统的自旋压缩

在周期性脉冲撞击的两分量玻色－爱因斯坦凝聚系统中研究了自旋压缩动力学性质,结果表明：原子自旋压缩动力学能够揭示相空间的混沌和规则结构,即当初始相干态处在混沌区域时,自旋压缩在很短时间后消失,而当初始相干态处在规则区域时,自旋压缩则存在很长时间.特别是随着时间的演化,系统的平均自旋方向的分布和摆动也与初态所处的空间结构有着密切的联系.最后,研究了相空间的整体自旋压缩动力学,得到了一种较好的量子-经典对应. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 混沌 自旋压缩 平均自旋方向     

平面自旋压缩态的产生与原子干涉的机理

在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现自旋压缩和量子纠缠, 对于提高原子干涉测量相位灵敏度和原子钟精度有着非常重要的意义. 基于一种新的平面自旋分量的不确定性关系, 介绍了如何利用两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中原子间相互作用提供的非线性效应和原子内部能级间线性耦合, 实现量子平面自旋压缩(挤压)和模式纠缠. 描述了一项关于平面压缩态的理论工作, 该工作利用哈密顿量的精确对角化求解系统基态, 优化非线性作用和线性耦合强度比值, 使得包含平均自旋方向在内的两个正交自旋分量的不确定度同时压缩, 因此在平面上所有相位角度的涨落都受到压制, 而在与该平面垂直的第三个自旋分量方向反压缩. 利用传统自旋压缩判定纠缠, 只能判断多个不可分辨的原子处于纠缠态, 而平面自旋压缩可以检测两个可区分模式(比如, 原子内态)间的纠缠, 从而在不同模式间进行量子信息处理. 同时, 为实现超越标准量子极限的原子干涉相位精密测量, 传统方式是利用单个自旋分量压缩, 但需要对待测相位角度有很好的估计, 或者可以进行多次测量以逐渐逼近可获得的最大压缩极限, 这就要求量子态可以被精确的重复制备. 而利用平面自旋压缩, 对任意未知相位角度只需要测量两个垂直自旋分量就可以实现高的相位测量灵敏度.     

半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉

玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案,研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学,得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明,当自旋相关光晶格关闭后,非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉,形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时,扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射,反射波与入射波产生二重干涉,在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡,干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识,为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.     

三量子位系统的消相干和退纠缠

基于多谐振子热库环境模型,采用求解非马尔可夫近似主方程方法,研究了三量子位系统由于相对位相变化引起的消相干和退纠缠.计算得到了初始态为GHZ-class态、W-class态和WGHZ-class态在演化过程中的消相干和退纠缠时间尺度.结果表明,对初始GHZ-class态,相干性全部丧失,退纠缠完全发生,纠缠度变为0;对初始W-class态,相干性和纠缠度被保持;对初始WGHZ-class态,消相干部分发生,纠缠首先随时间变化最后达到一个渐近值.     

玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学

研究了玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学特性,其中玻色子位于对称双势阱中,费米子位于对称双势阱中心的简谐势阱中.采用双模近似方法得到描述双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的动力学特性方程组,并将其与简谐势阱中分子玻色-爱因斯坦凝聚的Gross-Pitaevskii方程进行耦合.通过对不同参数下玻色-费米混合体系中的隧穿现象进行数值研究,发现简谐势阱中费米子与双势阱中玻色子的相互作用使双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的隧穿动力学特性更加丰富.不但驱使双势阱中玻色-爱因斯坦凝聚从类约瑟夫森振荡转变为宏观量子自囚禁,而且宏观量子自囚禁表现为三种不同的形式:相位与时间呈负相关并随时间单调减小的自囚禁、相位随时间演化有界的自囚禁以及相位与时间呈正相关并随时间单调增大的自囚禁.     

利用热纠缠态表象获得Caldeira-Leggett密度算符方程的积分形式解

开放量子系统,即系统-热库模型,可以用一个关于密度算符的主方程来描述,比如,用来描述固态物理中耗散现象的Caldeira.Leggett主方程.虽然已经有人为了求解此主方程的约化密度矩阵的精确表达式而做过一些努力,但迄今还未见有解答.本文使用了一种全新的方法来求解Caldeira-Leggett方程,用这个新方法可以得到积分形式的显式表达.该方法的要点在于利用有序算符内积分技术把关于密度算符的微分方程首先转化成关于密度态矢量的微分方程,再将密度态矢量投影到热纠缠态表象中,Caldeira-Leggett方程就转变成了关于波函数的微分方程,而波函数是函数.这样就可以使用数学中求解微分方程的方法来求解出波函数.再次利用有序算符内积分技术,再将波函数转化为态矢量和算符,就得到了Caldeira-Leggett方程的积分形势解.     

轴对称黑洞的量子统计熵

避开了求解黑洞背景下波动方程的因难,应用量子统计方法,通过应用在量子引力中、由广义测不准关系得出的新态密度方程,直接求解轴对称Kerr黑洞背景下玻色场和费米场的配分函数.然后,在视界附近计算黑洞背景下玻色场和费米场的熵.得到用收敛级数表达的黑洞熵.在计算中不存在用brick wall模型计算黑洞熵时出现的发散项和小质量近似,使人们对非球对称时空中黑洞的统计熵有更深入的认识. 关键词： 量子统计 非球对称时空 广义测不准关系 黑洞熵     

装载于外势场中的玻色-爱因斯坦凝聚N-孤子间的相互作用

首先建立起玻色-爱因斯坦凝聚孤子链的微扰复数Toda链理论,然后深入研究玻色-爱因斯坦凝聚N-孤子间的绝热相互作用,分别通过对二次外势场、周期性外势场和二者叠加的复合外势场所引起的三类微扰,利用微扰的复数Toda链理论给出了解析处理, 并和基于分步傅里叶变换的直接数值方法进行比较,发现微扰的复数Toda链方程能够充分揭示上述三类外势场中的N-孤子链的动力学行为和特征.同时还给出了从孤子链中提取一个或多个局域态的倾斜势场或周期性势场的强度临界值,这可为玻色-爱因斯坦凝聚的实验研究 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 Gross-Pitaevskii方程 物质波孤子 相互作用     

串型耦合双量子点处于自旋阻塞区时磁输运性质的研究

使用双杂质安德森模型的哈密顿量,从理论上研究了串型耦合双量子点系统处于自旋阻塞区时的磁输运性质,并用主方程近似方法求解了哈密顿量.结果表明,自旋轨道耦合作用导致的双量子点间的自旋反转隧穿能够解除系统的自旋阻塞.同时也研究了超精细相互作用导致的在量子点内自旋反转和双量子点之间的自旋关联对系统的磁输运性质的影响,取得了一些有价值的结果,并对相关的物理问题进行了讨论.     

钻石分形晶格上Ising模型的配分函数与关联函数

用参数变换方法,研究了钻石分形晶格上Ising自旋模型.精确求解了零场和非零场中系统的配分函数、自由能和关联函数,尤其推得了关联函数方程及其渐近行为的解析形式.结果表明，其关联行为与平移对称晶格上的Ising自旋系统类似. 关键词： Ising模型 外磁场 钻石分形晶格 关联函数     

与量子输运方程相一致的夸克经典输运方程

用Sμν作为描述夸克自旋的动力学变量建立了它的经典输运方程，并讨论了该方程与量子输运方程的一致性，通过一致性的比较探讨了经典分布函数在色空间和自旋空间的一些特性.