我们从量子物体的相干性的角度研究引力的量子性质。作为基本设置,我们考虑两个引力物体,各自处于两条路径的叠加态。物体的演化用具有种群保持性质的完全正向和迹保持 (CPTP) 映射来描述。此属性反映了物体出现在每条路径上的概率是保持不变的。我们使用相干性的 ℓ 1 范数来量化物体的相干性。在本文中,引力的量子性质用纠缠映射来表征,它是具有产生纠缠能力的 CPTP 映射。我们引入纠缠映射见证作为可观测量来测试给定映射是否纠缠。我们表明,每当引力物体最初具有有限量的相干性的 ℓ 1 范数时,见证就会由于引力而测试纠缠映射。有趣的是,我们发现,即使物体没有纠缠,见证者也可以测试引力的这种量子性质。这意味着引力物体的相干性总是成为引力纠缠图的来源。我们进一步讨论了本方法中的退相干效应和实验视角。
通过分析叠加、纠缠、化学键合行为和经典力学的基本现象,人们发展出了量子相干性的一般定义。如果原子粒子是物质波,且其光谱范围从相对相干态到退相干态,那么原子的各种性质就可以得到更好的解释。结果表明,如此定义的量子相干性可以全面解释神经元中的信号传输和大脑产生的电场的动态,包括可能支持这样一种说法,即有意识的意志在某种程度上是真实的,而不是一种幻觉。最近的生理研究表明,电磁辐射与分子结构相互作用,形成综合能量场。提出了一种机制,通过该机制,量子相干性作为神经元中的加速电流,可能导致电磁辐射的光谱扩大,这种辐射能够与大脑中的分子复合物相互作用,甚至可能与生物体其他部位的分子复合物相互作用,从而影响振动和结构特性。研究应该调查结果能量场是否是基本的感知基础,该能量场中至少有一些附加电磁波长参与产生图像感知,只要它们来自身体,电磁振动是更多样化现象的特征,通过这种现象,感知的一些非维度特征,如声音、触觉、味觉、嗅觉、内感受等部分产生。如果对大脑的检查发现这个器官是由一个相干场组成的,至少部分是由与分子成分相互作用的电磁辐射的宽谱构成的,那么这对进一步发展我们的物质/思维界面模型以及可能的整体物理现实具有重大意义。
在开放量子系统范式中,研究了具有反射边界的时空中真空涨落无质量标量场与循环加速原子耦合时的量子相干性动力学,推导出了系统演化的主方程。结果表明,在没有边界的情况下,真空涨落和向心加速度总是会导致量子相干性降低。然而,有了边界,标量场的量子涨落发生了改变,使得量子相干性比没有边界的情况有所增强。特别地,当原子非常靠近边界时,虽然原子仍然与环境相互作用,但它表现得就像一个封闭系统,量子相干性可以免受真空涨落标量场的影响。
相干性是光的波动性和物理学的量子性背后的概念。在量子力学中,薛定谔猫很好地说明了相干性,即宏观不相容情形的相干叠加。当叠加态的相干性消失时,所有量子特性都消失,取而代之的只是对猫态的经典无知。实际上,退相干是解释经典世界出现的最流行机制 [1]。这是量子光学和经典光学中发展迅速的研究领域。在经典光学中,近年来干涉相关现象扩展到矢量光引起了人们的兴趣 [2-6]。在量子光学中,相干性作为量子信息处理等新兴量子技术的基础的发现促使了这项研究 [7],量化相干性已成为资源理论 [8,9] 所表达的中心任务。从相干性作为量子特征的理解来看,似乎有理由将其作为从第一原理研究非经典行为的任何方法的基础。在本文中,我们建立了量子相干性与非经典性之间的定量关系。我们发现非经典性是通过改变基可以显示的最大相干性,这与偏振度是在幺正变换下可以达到的两个填充模式之间的最大相干性相同[10-12]。基于l1范数的相干性量化器已被建立为有限维空间中相干性的良好度量[8,9]。在本文中,我们用类似Hellinger的距离来表示这种相干性测度。我们还定义了与此距离相关的所有量值的量化器。在第二部分中,我们建立了这些量化器并推导了有限维空间中它们之间的关系。在第三节中,我们计算了一些相关状态的相干性。在第四节中,分析在无限维空间中重现。在第五节中,我们研究该理论是否可以扩展到具有连续光谱的参考可观测量。Fi-
量子相干性是量子力学的一个基本特征,允许量子态叠加,是量子信息处理的资源。非同质粒子和同质粒子的相干性以根本不同的方式出现。对于后者,存在与不可区分性相关的独特贡献,而非同质粒子则不会出现这种贡献。在这里,我们通过光学装置通过实验证明了这种对量子相干性的额外贡献,表明其量直接取决于不可区分性的程度,并在量子相位鉴别协议中利用了它。此外,设计的装置允许用光子模拟费米子粒子,从而评估交换统计在相干性产生和利用中的作用。我们的实验证明,独立的不可区分粒子可以为量子增强计量学提供可控的相干性和纠缠资源。
完整作者列表: Jiang, Bo;橡树岭国家实验室,中子散射分部 Zhao, Changhao;达姆施塔特工业大学材料与地球科学系 Metz, Peter;橡树岭国家实验室,中子散射分部 Jothi, Palani;田纳西大学诺克斯维尔分校,材料科学与工程系 Kavey, Benard;中密歇根大学,化学与生物化学 Reven, Linda;麦吉尔大学,化学 D'Addario, Michael;麦吉尔大学,化学 Jones, Jacob;北卡罗来纳州立大学,材料科学与工程系 Caruntu, Gabriel;中密歇根大学,化学与生物化学 Page, Katharine;田纳西大学诺克斯维尔分校,材料科学与工程系;橡树岭国家实验室,化学与工程材料分部
B41.002:高 Q 值超导谐振器高电阻率硅晶片低温损耗角正切测量 B57.002:超导 Nb 薄膜中亚间隙准粒子散射和耗散 B57.008:Nb 超导射频腔的电磁响应 B57.010:用于高 Q 值谐振腔的高纯铌超导态氢化物的非平凡行为 B57.012:轴子搜索的可行性研究:Nb SRF 腔中的非线性研究 D37.002:基于三维微波腔的微波光量子转导 D39.013:带有级联低温固态热泵的量子阱子带简并制冷 D40.008:基准测试方八边形晶格 Kitaev 模型的 VQE D41.003:用于量子计算的 Nb 谐振器中氧化铌退火的原位透射电子显微镜研究 F36.005:识别超导量子比特系统中缺陷和界面处的退相干源 F36.006:使用双音光谱理解和减轻超导射频 (SRF) 腔中的损耗 F36.007:通过 HT 相界分析优化用于量子器件的 Nb 超导薄膜 F36.008:循环:超导量子比特的多机构表征 F36.010:铌射频腔的 Nb/空气界面的原子尺度研究 K29.002:超导量子材料与系统 (SQMS) – 新的 DOE 国家量子信息科学研究中心M41.009:可调谐 transmon 量子比特的长期能量弛豫动力学作为损耗计量工具 N27.006:超导量子材料与系统 (SQMS) 研究中心的量子信息科学生态系统工作 Q71.007:高磁场中的超导材料在高能物理量子传感中的应用 Q37.005:多模玻色子系统量子启发式的数值门合成 S38.003:基于微米级约瑟夫森结的约瑟夫森参量放大器的制造和特性 S72.009:探究低温真空烘烤对超导铌 3-D 谐振器光子寿命的作用 T00.106:铌硅化物纳米膜的稳定性、金属性和磁性 T00.119:不同 RRR 值的铌膜的特性低温 T72.005:单个纳米结处异质偶极场和电荷散射的太赫兹纳米成像 W40.006:量子芝诺效应对两能级系统的动态解耦 W34.013:3D SRF QPU 的潜在多模架构探索 Y34.008:高相干性 3D SRF 量子比特架构的进展 Y40.009:理解和减轻超导量子比特中 TLS 引起的高阶退相干
过去二十年,科学界不断努力寻求更好的量子资源协方差框架,重点主要放在量子纠缠上。在这项工作中,我们通过分析洛伦兹增强下真正的多体纠缠和量子相干性的行为,将讨论向前推进了一步。具体来说,我们对叠加多体纯态中产生的电子-正电子对问题进行了案例研究。我们的方法与标准处理的不同之处还在于,我们考虑了四动量的所有成分,从而允许检查在这些自由度之间也可以编码纠缠的场景。我们的分析揭示了这个问题中有趣的微妙之处,比如实验室框架中的真正 4 体纠缠在洛伦兹增强框架的视角下转变为真正的 8 体纠缠加上量子相干性。此外,这些量子资源的给定组合被证明会形成洛伦兹不变量。尽管我们的研究结果无法通过第一原理确定信息论洛伦兹不变量,但它们为沿着这条路线进行根本性突破铺平了道路。
现代物理学的最新发展表明,量子关联(例如量子纠缠)及其与量子相干性的关系在理解各种物理系统的性质方面发挥着重要作用。相干性不仅在经典理论(例如射线光学)中研究,而且在各种量子系统中得到讨论,例如与量子信息论相关的系统。1938 年,Zernike 首次在经典场传播理论领域引入了相干度的概念 [1]。接下来在 1950 年,Hanbury Brown 和 Twiss 研究了恒星干涉仪系统中的高阶相干性 [2]。量子相干理论由 Glauber [3,4] 和 Sudarshan [5] 于 1963 年提出,随后由 Metha 和 Sudarshan [6] 于 1965 年进一步发展。另一方面,我们可以在 [7] 和 [8,9] 中分别找到对经典和量子相干理论的详尽介绍。量子相干理论在量子光学领域的研究中得到了广泛的应用 [3,4]。近年来,人们在各种模型中研究了量子相干性和纠缠之间的关系,包括描述高 Q 腔中原子集合的模型 [10]、光机械系统 [11]、两个强耦合的玻色子模式 [12] 或三模光机械系统 [13]。纠缠系统在量子信息论中有着各种实现,特别是在量子通信、量子密码学 [14] 和量子计算 [15–22] 中。最大或强纠缠态在量子隐形传态[23-26]或安全量子通信[27,28]等过程中起着重要作用。因此,加深对纠缠性质及其与其他形式的量子关联和相干性的关系的认识仍然至关重要。因此,在我们的研究中,我们不仅会考虑纠缠和相干之间的关系,还会考虑状态的混合性。描述纠缠和混合性[29-35]或相干性和混合性[36-41]或相干性的量之间的相互关系
寻找一种可行的方案来测试引力相互作用的量子力学性质引起了越来越多的关注。到目前为止,引力介导的纠缠产生似乎是潜在实验的关键因素。在最近的一项提案 [D. Carney 等人,PRX Quantum 2,030330 (2021)] 中,将原子干涉仪与低频机械振荡器相结合,提出了一种相干性复兴测试来验证这种纠缠产生。由于只对原子进行测量,因此该协议无需进行相关测量。在这里,我们探索了这种协议的公式,并具体发现,在设想的高热激发操作状态下,没有纠缠概念的半经典模型也会给出相同的实验特征。我们在完全量子力学计算中阐明,纠缠不是相关参数范围内复兴的来源。我们认为,在目前的形式下,建议的测试仅在振荡器几乎处于纯量子态时才有意义,并且在这种情况下,影响太小而无法测量。我们进一步讨论了潜在的开放结局。结果强调了在测试物理系统的量子力学性质时明确考虑量子情况与经典期望的不同之处的重要性和微妙之处。