特殊环境中的量子开系统问题.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 特特特殊殊殊环环环境境境中中中的的的量量量子子子开开开系系系统统统问问问题题题 作作作者者者姓姓姓名名名：：： 蔡蔡蔡丞丞丞韻韻韻 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 Quantum Open Systems Surrounded by Environment with Special Structure Cheng-Yun Cai 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 Chinese Academy of Sciences May, 2014 摘摘摘 要要要 一方面，随着科学的进步，人们现在已经能制备处于微观尺度下的物理系 统，同时也有能力对系统和环境之间的相互作用的形式以及大小进行调控。鉴 于此，人们在讨论传统热力学和统计力学时默认的一些假设在这种情况下就不 再成立。例如当我们讨论一个宏观系统的热力学时，总是假设其自由度足够大 以使得我们可以忽略涨落。但对于微观尺度的系统，涨落便不再是一个可以忽 视的东西。这种以微观尺度物理系统为对象的研究催生出一个新的领域，即小 系统的热力学。随着近年来这一领域的发展，小系统的热力学已经展现出丰富 的物理图像以及潜在应用的可能。 另一方面，人们之所以孜孜不倦地将实验室中的研究对象小型化，是因为 在可控的前提下这种小型化的器件可以极大地提升其性能。例如人们相信微观 尺度器件中的量子想干性可能会极大地提升其计算性能。然而没有绝对孤立的 体系。这种微小尺度的器件将时时刻刻与周围环境发生相互作用，而这种相互 作用极大地消弱了人们对于器件的可控性同时破坏其相干性。由于环境的自由 度较多，这使得人们通常无法全面调控环境的每一个细节。所以，发现并找到 可调控的关键环境参数以及对这个参数的调控将如何影响开系统的演化将成为 一个重要的课题。 这篇论文所讨论的物理对象就是这种不能通过传统热力学来描述的小系 统，而研究的主题则是具有特殊结构的环境将如何影响开系统的热力学以及动 力学演化的性质。这篇论文的整个讨论建立在以量子力学描述的系统微观动力 学基础之上(第二章)。而所涉及的环境特殊性有可能指的是环境的特殊相互作 用谱(第三章)，环境的量子相变(第四章)，以及该环境是由多个简单环境组成 的(第五章)。我们讨论了与这些具有特殊结构的环境接触的开系统的(1)热力学 性质，如熵产生，热机效率等；(2)非马尔科夫效应，如非正则热化现象；(3) 以 及其动力学演化中的退相干增强现象等。除此之外，这种小系统的研究也更适 合阐明某些热力学理论中的基础问题，例如我们在第五章就通过量子Szilard热 机来定量讨论Maxwell妖佯谬。我们的研