我院崔海涛、严运安团队在开放量子系统耗散相变理论方面取得进展

近日，物理与光电工程学院崔海涛教授与严运安教授课题组合作在开放量子系统耗散相变的理论研究方面取得进展，相关成果发表在物理学国际权威期刊Physical Review A （物理评论A，JCR二区）。鲁东大学为论文第一署名单位与通讯单位。

量子系统不可避免地与周围环境产生相互作用，并导致系统量子特性的消失。最近的研究发现：即使开放量子系统的自由度数目是有限的，量子相变同样可以发生。不同于封闭量子系统的相变，开放量子系统的相变伴随着系统耗散动力学的本质变化。因此，开放量子系统的相变也称之为耗散相变（DPT）。

为了表征开放量子系统的耗散相变，一般采用刘维尔量的基态能隙作为序参量。为了确定刘维尔量，需要建立描述系统动力学的时间定域主方程。在马尔科夫近似条件下，时间定域的主方程即为Lindblad方程。但在非马尔科夫条件下，环境状态对系统动力学产生重要影响，这导致时间定域的主方程往往很难严格确定。因此，在超越马尔可夫条件下，如何精确表征耗散相变是理论上亟需解决的问题。另外，随着实验技术的不断发展，通过外部特殊环境调控量子体系的状态已经成为一种基本的物理手段，这一过程是通过建立环境状态与系统状态的量子纠缠实现的。因此，如何有效描述这一动力学过程具有重要的理论意义。

为解决上述问题，作者提出建立描述系统动力学有效哈密顿量的研究思路。相对于主方程方法，有效哈密顿包含了系统与环境自由度相互作用动力学的全部信息，是对系统动力学的严格描述。为此目的，作者发展了复平面上的环境能谱离散化近似方法，并由此建立了描述系统耗散动力学的非厄米有效哈密顿量。利用此哈密顿量，作者详细讨论了推广的Jaynes-Cummings模型在单激发空间的耗散相变。研究发现，耗散相变不仅取决于基态能隙，而且与激发在基态自旋自由度上的占据情况密切相关：自旋动力学会分别表现出快速衰减相、局域相以及介于两者之间的中间相。此方法可以方便地推广到多激发情况，以及用来讨论开放多体系统的耗散相变。

此研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金的支持。