量子开放系统的动力学是目前量子信息与量子计算备受关注的前沿研究领域。早期对开放系统动力学的研究主要借助于马尔可夫主方程。然而，由于马尔可夫主方程在建立的过程中采取了近似，在某些情况下，例如当系统-热库耦合与系统内的耦合相当时，系统的量子动力学可能会显著偏离马尔可夫量子主方程的预测。与马尔可夫动力学中无记忆效应的环境模型不同，非马尔可夫环境模型具有记忆效应，流入环境的信息和能量可以部分回流到系统，使当前时刻系统的动力学行为依赖于自身的历史行为。

为了描述系统动力学相对马尔可夫动力学的偏离，人们提出了许多有用的度量方法，如迹距离、纠缠度、量子互信息、量子Fisher信息等。被度量的这一偏离被称为量子非马尔可夫性。在所有的度量方法中，从全局的角度上，使用量子互信息可能更有说服力，因为它衡量了包含量子关联和经典关联的总关联性。然而，对于一个多通道过程，利用量子Fisher信息流来局部表征不同通道的非马尔科夫性显然更为合理。

近日，清华大学物理系、北京量子信息科学研究院龙桂鲁教授研究团队和北京师范大学物理系的艾清副教授研究团队合作，在一个可控的核磁共振实验平台上，使用最新开发的准确且高效的方法调谐系统和环境参数，通过调谐基频，观察到了系统动力学从马尔可夫到非马尔可夫的相变，并进一步结合量子互信息和量子Fisher信息各自的优势，从整体和局部两个角度研究了量子开放系统的非马尔科夫性，实验结果与级联方程的数值计算结果吻合较好。论文还以光合作用中能量传输为例，发现不同通道的非马尔可夫性不同，其中强耦合的通道和较高能量的初态其非马尔可夫程度更大。该工作证明了量子互信息结合量子Fisher信息能够测量多通道量子开放动力学的非马尔可夫性，为更好地研究开放系统的动力学提供了一种新思路。

图1  用全局变量（量子互信息、量子纠缠、迹距离）演示从马尔可夫到非马尔可夫的相变，并度量非马尔可夫性

图2  用局域变量度量子通道的非马尔可夫性

图3  用全局和局域变量度光合作用能量传输的非马尔可夫性

该研究成果以《Global Correlation and Local Information Flows in Controllable Non-Markovian Open Quantum Dynamics》为题目发表在2022年3月3日的Nature出版集团的《npj Quantum Information》期刊上。清华大学物理系博士生陈鑫宇和北京师范大学物理系的张娜娜（现为重庆邮电大学讲师）、何宛亭为文章的共同第一作者，通讯作者为清华大学物理系、北京量子信息科学研究院龙桂鲁教授和北京师范大学物理系的艾清副教授，参与者包括清华大学2020级博士毕业生孔翔宇，航天工程大学的陶明杰（讲师）和北京师范大学的邓富国教授。该成果获得了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41534-022-00537-z

参考文献：

1. Efficient quantum simulation of photosynthetic energy transfer, B.-X. Wang(#), M.-J. Tao(#), Q. Ai(#), T. Xin, N. Lambert, D. Ruan, Y.-C. Cheng, F. Nori, F.-G. Deng(*), and G.-L. Long(*), npj Quantum Inf. 4, 52 (2018);

2. Efficient quantum simulation of open quantum dynamics at various Hamiltonians and spectral densities, N.-N. Zhang, M.-J. Tao, W.-T. He, F.-G. Deng, N. Lambert, Q. Ai(*), and Y.-C. Cheng(*), Front. Phys. 16, 51501 (2021);

3. Coherent and incoherent theories for photosynthetic energy transfer, M.-J. Tao, N.-N. Zhang, P.-Y. Wen, F.-G. Deng, Q. Ai(*), and G.-L. Long(*), Sci. Bull. 65, 318 (2020).

4. Clustered geometries exploiting quantum coherence effects for efficient energy transfer in light harvesting, Q. Ai, T.-C. Yen, B.-Y. Jin, and Y.-C. Cheng(*), J. Phys. Chem. Lett. 4, 2577 (2013).

（研究团队）