論文第一作者為香港大學(xué)物理系博士生趙家瑞。
香港大學(xué)物理系團(tuán)隊最近開發(fā)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(yùn)行規(guī)律，讓量子材料的實(shí)際應(yīng)用更近一步。
這項重要研究剛剛發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》（ ）上。
量子材料研究對推動人類科技進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(dǎo)體的性質(zhì)，并幫助我們找到適合工業(yè)應(yīng)用的室溫超導(dǎo)體。它也被視為一種可以用作構(gòu)建性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)的量子計算機(jī)的基礎(chǔ)的材料。因此，對量子材料本質(zhì)的研究和探索將促進(jìn)科學(xué)研究和技術(shù)的進(jìn)步，從而提高人類的生產(chǎn)和生活水平。
量子糾纏熵和量子材料
量子系統(tǒng)示意圖，其中A是子系統(tǒng)，B是子系統(tǒng)A的補(bǔ)充。對于物質(zhì)的糾纏量子態(tài)，系統(tǒng)中的每個粒子通過量子糾纏與其他粒子相關(guān)。量子糾纏熵可以測量系統(tǒng)A中的粒子與系統(tǒng)中其他粒子之間的糾纏強(qiáng)度。糾纏熵越大，A和B之間的糾纏越強(qiáng)。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(tài)。
量子材料的實(shí)現(xiàn)需要超低溫、超高壓的環(huán)境。這時，周圍環(huán)境的熱效應(yīng)會變得非常微弱，量子效應(yīng)成為決定物質(zhì)狀態(tài)的主要因素。量子漲落可以引起物質(zhì)不同量子態(tài)之間的相變，包括從非超導(dǎo)態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的相變。這種由量子效應(yīng)而非熱效應(yīng)主導(dǎo)的相變點(diǎn)稱為量子相變點(diǎn)（QCP）。 ）。量子相變的研究有助于我們尋找和創(chuàng)造更適合實(shí)際應(yīng)用的量子材料（如超導(dǎo)體和石墨烯）。由于需要超高壓和低溫環(huán)境，目前對量子材料的實(shí)驗(yàn)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(xué)界過去一直使用LGW(,,,,)相變理論作為量子相變研究的基礎(chǔ)。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種新型的解禁量子相變點(diǎn)（DQCP）無法用現(xiàn)有的 LGW 框架來解釋。在過去的十年里新興物理學(xué)家有哪些，科學(xué)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(diǎn)和普通量子臨界點(diǎn)兼容的晶格模型。他們提出了大量的理論和數(shù)值研究，但問題并沒有得到徹底解決。 。
在此背景下，香港大學(xué)物理系博士生趙家瑞、嚴(yán)正博士和孟紫陽博士通過物質(zhì)量子糾纏的研究，成功找到了可能的解決方案。研究團(tuán)隊開發(fā)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(qiáng)大的算法，他們成功精確測量了DQCP的量子糾纏熵，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與使用傳統(tǒng)LGW框架一致。解釋上存在顯著差異，為科學(xué)家對量子相變本質(zhì)的認(rèn)識帶來重要突破。
“我們的發(fā)現(xiàn)開啟了對量子相變認(rèn)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(jìn)一步突破。”學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，”嚴(yán)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(tǒng)量子相變理論的理解。它使這一問題的研究向前邁進(jìn)了一大步，也引發(fā)了受限量子相變的發(fā)現(xiàn)。這個領(lǐng)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(xué)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(fā)現(xiàn)將促進(jìn)我??們對量子材料關(guān)鍵行為的理解，幫助我們找到更適合工業(yè)應(yīng)用的量子材料，從而推動人類技術(shù)和生產(chǎn)力的進(jìn)步。”孟紫陽博士補(bǔ)充道。
研究模型
為了測試算法的效果，論證QCP與DQCP的本質(zhì)區(qū)別，研究團(tuán)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(dāng)調(diào)整Q項和J項的比例時，J-Q3模型中會出現(xiàn)DQCP新興物理學(xué)家有哪些，當(dāng)調(diào)整J1和J2的比例時，會出現(xiàn)QCP。
圖 2：兩個網(wǎng)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(fā)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(wù)分解為許多較小的任務(wù)，并使用大量CPU并行執(zhí)行這些較小的任務(wù)，從而大大減少了計算量時間并提高算法效率。這種改進(jìn)的方法幫助團(tuán)隊更快地模擬前面提到的兩個模型，并提供更好的數(shù)據(jù)質(zhì)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(jié)果
研究團(tuán)隊利用非平衡遞增累加算法，成功獲得了不同系統(tǒng)規(guī)模下QCP和DQCP上的二階Rényi糾纏熵。得到的結(jié)果如圖4所示。對于兩個不同的相變點(diǎn)網(wǎng)校頭條，減去一階線性項后，二階對數(shù)項的系數(shù)符號相反。這一發(fā)現(xiàn)排除了 DQC 由正共形場論描述的可能性，并進(jìn)一步提出了有關(guān) DQC 理論的更多有趣問題。這一發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致人們對新量子材料的關(guān)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(jié)果。
關(guān)于這個研究項目
趙家瑞是香港大學(xué)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(lǐng)域計劃“二維材料研究：新興技術(shù)基金會”項目和中國自然科學(xué)基金委員會的資助。香港大學(xué)-TCL人工智能聯(lián)合研究中心種子基金“量子啟發(fā)可解釋人工智能”資助。我們感謝理學(xué)院和香港大學(xué)信息科技處的計算項目以及國家超級計算機(jī)中心提供的技術(shù)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(xiàn)。
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