論文第一作者為香港大學物理系博士生趙家瑞。
香港大學物理系團隊最近開發出一種測量量子糾纏熵的新算法，將有助于探索量子世界的運行規律，讓量子材料的實際應用更近一步。
這項重要研究剛剛發表在著名學術期刊《物理評論快報》（ ）上。
量子材料研究對推動人類科技進步產生深遠影響。二維莫爾材料，例如雙層角石墨烯，可以幫助我們了解超導體的性質，并幫助我們找到適合工業應用的室溫超導體。它也被視為一種可以用作構建性能遠遠優于經典計算機的量子計算機的基礎的材料。因此，對量子材料本質的研究和探索將促進科學研究和技術的進步，從而提高人類的生產和生活水平。
量子糾纏熵和量子材料
量子系統示意圖，其中A是子系統，B是子系統A的補充。對于物質的糾纏量子態，系統中的每個粒子通過量子糾纏與其他粒子相關。量子糾纏熵可以測量系統A中的粒子與系統中其他粒子之間的糾纏強度。糾纏熵越大，A和B之間的糾纏越強。由于不同量子材料體系中的糾纏程度不同，因此可以用量子糾纏熵來表征不同的量子態。
量子材料的實現需要超低溫、超高壓的環境。這時，周圍環境的熱效應會變得非常微弱，量子效應成為決定物質狀態的主要因素。量子漲落可以引起物質不同量子態之間的相變，包括從非超導態到超導態的相變。這種由量子效應而非熱效應主導的相變點稱為量子相變點（QCP）。 ）。量子相變的研究有助于我們尋找和創造更適合實際應用的量子材料（如超導體和石墨烯）。由于需要超高壓和低溫環境，目前對量子材料的實驗室研究非常困難且昂貴，這極大地限制了我們對量子材料的探索和理解。
科學界過去一直使用LGW(,,,,)相變理論作為量子相變研究的基礎。然而，研究人員發現，一種新型的解禁量子相變點（DQCP）無法用現有的 LGW 框架來解釋。在過去的十年里新興物理學家有哪些，科學家們一直在尋找答案，是否有可能找到一種與解禁量子臨界點和普通量子臨界點兼容的晶格模型。他們提出了大量的理論和數值研究，但問題并沒有得到徹底解決。 。
在此背景下，香港大學物理系博士生趙家瑞、嚴正博士和孟紫陽博士通過物質量子糾纏的研究，成功找到了可能的解決方案。研究團隊開發了一種新的、更高效的量子蒙特卡羅算法，用于測量量子糾纏熵。通過這個強大的算法，他們成功精確測量了DQCP的量子糾纏熵，發現數據與使用傳統LGW框架一致。解釋上存在顯著差異，為科學家對量子相變本質的認識帶來重要突破。
“我們的發現開啟了對量子相變認識的新突破，即DQCP不是典型的正共形場論，也不能用LGW的單一理論框架來解釋。我們的研究提出的問題將推動量子相變的進一步突破。”學術研究領域，”嚴正博士說。
“通過新的蒙特卡羅算法，我們可以更有效地測量量子糾纏熵，這改變了研究人員對傳統量子相變理論的理解。它使這一問題的研究向前邁進了一大步，也引發了受限量子相變的發現。這個領域還存在很多深層次的問題。這個新工具將幫助我們解開困擾科學界二十年的量子相變之謎。”該論文的第一作者趙家瑞說。
“這一發現將促進我??們對量子材料關鍵行為的理解，幫助我們找到更適合工業應用的量子材料，從而推動人類技術和生產力的進步。”孟紫陽博士補充道。
研究模型
為了測試算法的效果，論證QCP與DQCP的本質區別，研究團隊測量了包含普通QCP的J1-J2模型和包含DQCP的J-Q3模型的糾纏熵。如圖2所示，當調整Q項和J項的比例時，J-Q3模型中會出現DQCP新興物理學家有哪些，當調整J1和J2的比例時，會出現QCP。
圖 2：兩個網格模型
非平衡累加算法
博士生趙家瑞基于非平衡方法的最新發展，提出了一種高度并行的非平衡累加算法。如圖3所示，該方法利用非平衡過程的可分性，將整個模擬任務分解為許多較小的任務，并使用大量CPU并行執行這些較小的任務，從而大大減少了計算量時間并提高算法效率。這種改進的方法幫助團隊更快地模擬前面提到的兩個模型，并提供更好的數據質量。
圖3：量子蒙特卡羅模擬與非平衡累加算法示意圖
研究結果
研究團隊利用非平衡遞增累加算法，成功獲得了不同系統規模下QCP和DQCP上的二階Rényi糾纏熵。得到的結果如圖4所示。對于兩個不同的相變點網校頭條，減去一階線性項后，二階對數項的系數符號相反。這一發現排除了 DQC 由正共形場論描述的可能性，并進一步提出了有關 DQC 理論的更多有趣問題。這一發現將導致人們對新量子材料的關鍵行為有更多的了解。一般表示和理解。
圖 4：兩個模型二階 Rényi 糾纏熵的測量結果。
關于這個研究項目
趙家瑞是香港大學物理系博士研究生，師從孟紫陽博士。
這項研究得到香港研究資助局、卓越領域計劃“二維材料研究：新興技術基金會”項目和中國自然科學基金委員會的資助。香港大學-TCL人工智能聯合研究中心種子基金“量子啟發可解釋人工智能”資助。我們感謝理學院和香港大學信息科技處的計算項目以及國家超級計算機中心提供的技術支持和廣泛的高性能計算資源，為本文的研究成果做出了貢獻。
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