自旋及其环境的量子调控与开系统理论问题研究.PDF

密密密级级级：：： 博博博士士士学学学位位位论论论文文文 自自自旋旋旋及及及其其其环环环境境境的的的量量量子子子调调调控控控与与与开开开系系系统统统理理理论论论问问问题题题研研研究究究 作作作者者者姓姓姓名名名：：： 杨杨杨立立立平平平 指指指导导导教教教师师师：：： 孙孙孙昌昌昌璞璞璞研研研究究究员员员 北北北京京京计计计算算算科科科学学学研研研究究究中中中心心心 学学学位位位类类类别别别: 理理理学学学博博博士士士 学学学科科科专专专业业业: 理理理论论论物物物理理理 培培培养养养单单单位位位: 中中中国国国科科科学学学院院院理理理论论论物物物理理理研研研究究究所所所 2014年年年5月月月 Coherent control of spin and theoretical exploreation of open quantum systems Li-Ping Yang A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Ph.D. of Quantum Physics Institute of Theoretical Physics University of Chinese Academy of Sciences May, 2014 摘摘摘 要要要 量子力学的诞生，带领人们进入了一个崭新的世界。而自旋作为量子世界 独有的产物，对自旋的研究在量子力学的建立和发展的过程中起到至关重要的 作用。Stern-Gerlach 关于自旋的实验明确地告诉人们世界确实是量子化的。近 年来，随着实验技术的发展，首先实现了单电子自旋的探测。到现在人们已经 成功制备了单电子自旋的纯量子态，这为利用电子自旋实现量子计算和量子通 信打下良好的基础。然而，如何实现电子自旋的相干操控将成为下一个需要攻 克的难题。 世界虽然是量子的，然而要看到世界量子化的一面绝非易事。因为任何一 个真实的物理系统都不是孤立的，它必然会跟一个自由度非常大的环境发生相 互作用，进而导致系统的热化和退相干。 量子相干性是量子器件最大的特性。如何降低环境对量子系统的影响，延 长量子系统的相干时间，是实现未来量子计算必须要解决的问题。虽然现在对 一些特殊的系统可以采用无退相干子空间、动力学解耦等方法去消除环境对系 统的影响，但是也许只有依靠对量子开系统自身动力学行为的研究，才能从根 本上为解决这一问题铺平道路。 本文主要研究小环境中自旋的动力学演化以及对它的相干调控和量子开系 统中的一些新效应。第一章介绍了文章的研究背景，主要包括大自然的某些生 命过程中可能存在的量子效应，人工量子点系统中单电子自旋量子态的一些新 进展和环境导致的量子系统的退相干效应。在第二章中，我们从N-V 中心自旋 系统和生命过程中一个可能的微观化学反应过程入手，研究了核自旋环境对系 统自旋动力学的影响。第三章研究如何在自旋-轨道耦合系统里利用电场对单 自旋进行精确相干操控。第四章，我们研究一个简单的量子开放系统的非马尔 可夫动力学过程和一个非平衡体系的长时间稳态行为。最后一章对全文进行了 总结，并对未来的工作提出了一些展望。 关键词： 自旋，量子相干操控，退相干，热化，量子开系统