States of open quantum systems usually decay continuously under environmental interactions. Quantum Markov semigroups model such processes in dissipative environments. It is known that a finite-dimensional quantum Markov semigroup with detailed balance induces exponential decay toward a subspace of invariant or fully decayed states. In contrast, we analyze continuous processes that combine coherent and stochastic processes, precluding detailed balance. First, we find counterexamples to analogous decay bounds for these processes and prove conditions under which they fail. Second, we prove that the relationship between the strength of local noise applied to part of a larger system and overall decay of the whole is non-monotonic. Noise can suppress interactions that would spread it. Faster decay of a subsystem may thereby slow overall decay. We observe this interplay numerically and its discrete analog experimentally on IBM Q systems. Our main results explain and generalize the phenomenon theoretically. Finally, we observe that in spite of its absence at early times, exponential decay re-appears for unital, finite-dimensional semigroups at finite time.


翻译:开放量子系统的状态通常在与环境相互作用下持续衰减。量子马尔可夫半群模拟这样的过程在耗散环境中。已知带有详细平衡的有限维量子马尔可夫半群会导致指数衰减趋向一些不变态或完全衰减的态空间。相比之下,我们分析结合相干和随机过程的连续过程,这些过程排除了详细平衡。首先,我们发现针对这些过程的类似衰变界限的反例,以及他们失败的条件。其次,我们证明了局部噪声强度施加到更大系统的一部分和整体衰变之间的关系是非单调的。噪声可以抑制传播它的相互作用。子系统的更快衰变可能因此减缓整体衰变。我们在IBM Q系统上数值上观察到这种相互作用及其离散的模拟实验结果。我们的主要结果在理论上加以解释和推广这一现象。最后,我们观察到无论早期时候是否缺席,在有限时间内,对于保幺且有限维的半群,指数衰减仍将出现。

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