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線性勢緊束縛鏈中的退相位輔助傳輸


核心概念
在具有線性勢的緊束縛鏈中,環境引起的退相位可以抑制量子局域化效應,從而增強量子傳輸效率。
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本文研究了在邊界驅動的緊束縛鏈中,體退相位與線性勢之間的相互作用。線性勢在沒有噪聲的情況下會導致 Wannier-Stark 局域化,而退相位在沒有傾斜的情況下會導致擴散傳輸。我們推導出了一個近似表達式,用於表示穩態電流作為退相位和傾斜的函數,該表達式與各種參數的精確解非常吻合。由此,我們發現當退相位速率等於 Wannier-Stark 局域化系統中布洛赫振盪的週期時,電流達到最大值。我們還發現,如果鏈上的總電勢傾斜保持恆定,則電流會隨著系統尺寸的增加而呈現最大值。我們的結果可以在當前的實驗平台中得到驗證,並且代表了環境輔助傳輸分析研究的一步進展。
開放系統與宏觀環境相互作用的量子特性在退相干過程中不可避免地會被破壞。然而,環境總是對量子過程(例如信息處理和傳輸)有害的觀點已經被挑戰了十多年,這是由於對生物系統中量子效應的研究。現在人們明白,環境可以輔助非相互作用量子系統中的能量傳輸,這種效應已在光子、囚禁離子和超導電路量子網絡中得到實驗驗證。儘管已經提出並討論了幾種環境輔助量子傳輸的機制,但在局域化量子系統中,一個明確的機制正在發揮作用——當導致局域化和傳輸抑制的相消干涉被環境破壞時,量子傳輸就會增強。這確實是環境耦合對安德森和 Wannier-Stark 局域化的預期影響。在安德森局域化系統中,由於晶格無序,量子傳輸受到抑制。另一方面,Wannier-Stark 局域化發生在存在線性晶格勢(例如電場)的情況下;在這種情況下,相干(布洛赫)振盪發生在局域化區域內。儘管已經對受到噪聲影響的 Wannier-Stark 局域化系統進行了研究,但關於這個主題的文獻仍然很少。 環境輔助傳輸也會影響多體量子系統的非平衡傳輸特性。證明這種效應的一種常用方法是通過位於邊界處的高溫熱庫將量子系統驅動到非平衡穩態。環境的退相位效應使傳輸變得具有擴散性,這已被證明可以增強具有無序或準週期性的邊界驅動系統中的穩態電流,並改變具有長程跳躍的系統的傳輸特性。此外,馬爾可夫邊界驅動的非相互作用系統即使在存在退相位的情況下也適合進行分析處理,並且可以獲得緊束縛鏈的穩態量的精確和近似解。 在本文中,我們研究了具有線性勢的邊界驅動緊束縛鏈中的退相位輔助傳輸。我們利用參考文獻中闡述的穩態分析方法,以數值方式獲得了多達一千個鏈位點的相關穩態量。通過執行最小近似,我們推導出了一個穩態電流的解析表達式,該表達式與廣泛參數範圍內的精確動力學相匹配。由此,我們發現當退相位速率等於 Wannier-Stark 局域化系統中布洛赫振盪的週期時,電流達到最大值。我們還發現,如果鏈上的總電勢傾斜保持恆定,則電流會隨著系統尺寸的增加而呈現最大值。我們的結果對環境輔助傳輸的分析做出了重大貢獻,並且可以在多個平台上進行實驗驗證。

深入探究

在更複雜的量子系統中,例如存在相互作用粒子的系統中,退相位如何影響量子傳輸?

在更複雜的量子系統中,例如存在相互作用粒子的系統中,退相位的影響更加微妙且難以預測。 增強傳輸: 在某些情況下,退相位可以通過抑制破壞性干涉來增強量子傳輸,類似於它在安德森和瓦尼爾-斯塔克局域化中的作用。這在具有強相互作用的系統中尤其重要,因為強相互作用會導致複雜的多體效應,而這些效應可能會阻礙傳輸。 抑制傳輸: 然而,退相位也可能通過破壞必要的量子相干性來抑制傳輸。例如,在利用量子相干性實現高效能量傳輸的光合作用系統中,退相位會降低傳輸效率。 相變: 在某些情況下,退相位甚至可以驅動系統發生相變,例如從局域態到擴展態的轉變。這種轉變可以顯著影響系統的傳輸特性。 總之,退相位對複雜量子系統中傳輸的影響取決於系統的具體細節,例如相互作用的強度和類型、系統的維度和退相位的性質。需要更深入的研究來充分理解這些複雜的相互作用。

是否存在其他環境效應可以增強或抑制量子傳輸?

除了退相位之外,還有其他環境效應可以顯著影響量子傳輸: 耗散: 耗散是指系統與環境交換能量的過程。適度的耗散可以通過抑制量子 Zeno 效應來增強傳輸,而過度的耗散則會導致局域化並抑制傳輸。 噪聲: 噪聲是指環境對系統的隨機擾動。某些類型的噪聲,例如非馬爾可夫噪聲,可以通過誘導量子效應來增強傳輸,而其他類型的噪聲,例如經典噪聲,通常會抑制傳輸。 量子浴: 量子浴是指與系統弱耦合的許多量子自由度的集合。量子浴可以誘導非平凡的量子效應,例如環境輔助量子傳輸和量子速度提升,從而增強傳輸。 理解這些環境效應的相互作用對於設計和控制量子系統以實現特定的傳輸特性至關重要。

量子傳輸的這些發現如何應用於開發新的量子技術,例如量子計算機或量子傳感器?

量子傳輸的這些發現對開發新的量子技術具有重要意義: 量子計算機: 在量子計算機中,信息存儲在量子比特中,而量子比特之間需要進行高效的信息傳輸。通過理解和控制退相位和其他環境效應,可以設計出更穩定和可靠的量子比特,並提高量子門的操作保真度。 量子傳感器: 量子傳感器利用量子效應來實現超高靈敏度的測量。通過利用環境輔助量子傳輸,可以提高傳感器的靈敏度和分辨率。 量子通信: 量子通信利用量子力學原理實現安全的信息傳輸。通過理解和控制環境效應,可以設計出更 robust 的量子通信協議,並提高信息傳輸的距離和效率。 總之,對量子傳輸及其與環境相互作用的深入理解為開發新一代量子技術提供了前所未有的機會。
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