開放量子系統(tǒng)與原子量子糾纏和黑洞的霍金輻射.pdf

1、量子力學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)的最基本理論之一，它不僅在物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域有著影響，在化學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)等其他領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。量子力學(xué)在促進(jìn)各學(xué)科發(fā)展的同時(shí)，其本身也得到了快速發(fā)展和完善。量子力學(xué)與經(jīng)典信息理論的結(jié)合就形成了量子信息論。量子信息是當(dāng)今科學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它的發(fā)展將會(huì)對人類社會(huì)的金融、國防、通訊產(chǎn)生重要影響，并將改變?nèi)祟惖纳罘绞?，使人類邁向一個(gè)全新的量子知識時(shí)代．量子糾纏是一種只能存在于量子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，它是量子系統(tǒng)所固有

2、的，也是量子信息理論中最脫穎而出的一部分．在量子信息理論中，量子糾纏是被看作實(shí)現(xiàn)各種量子信息過程及協(xié)議的一種物理資源。所以，對量子糾纏的研究在量子信息理論中起著非常關(guān)鍵的作用。 如果說量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的一大支柱，那么廣義相對論就是現(xiàn)代物理的另一大支柱。黑洞作為量子引力和宇宙學(xué)一個(gè)研究的熱點(diǎn)，它是聯(lián)系廣義相對論與量子力學(xué)的紐帶。對黑洞的研究，不僅能促進(jìn)廣義相對論、量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也能加深對某些相關(guān)物理概念的理解

3、和把握。 在量子力學(xué)里面，對于孤立的量子系統(tǒng)，其態(tài)遵循Schrodinger方程，演化也是幺正的。但是，現(xiàn)實(shí)中的量子力學(xué)系統(tǒng)，其不可避免的會(huì)與外部環(huán)境存在相互交流和作用，所以對待此非孤立的量子系統(tǒng)，必須用開放量子系統(tǒng)的方法來處理其量子態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化。 本文在開放量子系統(tǒng)的框架下，分別研究了熱庫中的兩個(gè)慣性原子和兩個(gè)勻加速原子在有平面邊界情況下的動(dòng)力學(xué)演化及糾纏生成問題，并在Schwarzschild黑洞的背景下，研究了理

4、想原子探測器隨時(shí)間演化的動(dòng)力學(xué)，試圖從另外的角度去闡述和詮釋霍金輻射。本文得到了如下的主要結(jié)論： 1、在熱庫中存在一個(gè)全反射平面邊界的情況下，研究了兩個(gè)彼此獨(dú)立，并分別與熱庫中標(biāo)量場有相互作用的兩能級原子的量子糾纏生成問題。利用主方程和弱耦合假設(shè)，發(fā)現(xiàn)邊界面的存在對兩原子態(tài)糾纏的生成起著很重要的作用，除去兩原子間隔距離和熱庫溫度參量對糾纏產(chǎn)生的影響，另一個(gè)新的可控參量，原子離邊界的距離，提供了更廣闊的自由來控制糾纏的產(chǎn)生。此外，

5、當(dāng)兩原子間隔距離趨于零時(shí)，兩初始處于分離態(tài)原子的最終平衡態(tài)可以是糾纏態(tài)，盡管有耗散和退相干的存在，但是生成的糾纏有可能保留到最終平衡態(tài)。但此時(shí)計(jì)算顯示最終平衡態(tài)的Concurrcnce卻與邊界參量無關(guān)。 2、在開放量子系統(tǒng)的框架下，考慮了兩個(gè)相互獨(dú)立的真空加速原子在有全反射邊界面的時(shí)空中，分別與真空無質(zhì)量標(biāo)量場相互作用的情況。通過分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在有平面邊界的情況下，就對兩原子糾纏生成的影響而言，加速所產(chǎn)生的效應(yīng)并不完全等效于一

6、個(gè)相應(yīng)的Unruh溫度。從這個(gè)意義上來說，真空中加速原子的行為與該原子靜止在Unruh溫度的熱庫中的行為不必完全一樣． 3、對于一個(gè)處于兩維Schwarzschild黑洞時(shí)空背景下的兩能級原子探測器，研究了此探測器在Hartle-Hawking真空中的動(dòng)力學(xué)演化。結(jié)果顯示，在開放量子系統(tǒng)框架下，霍金效應(yīng)完全可以被理解成是一種熱化現(xiàn)象。而對于四維Schwarzschild黑洞的情況，具體計(jì)算了基態(tài)的原子探測器在三個(gè)不同真空中的自發(fā)