量子材料在推动人类进步方面发挥着至关重要的作用。科技界一直在寻找更多具有特殊性能的新型量子材料。量子多体纠缠已成为研究量子物质的基本组织原则。纠缠熵(EE)的缩放行为提供了对量子多体态结构的洞察力，并给出了可用于表征不同相和相变的一般不变量。香港大学物理系的研究团队开发了一种非平衡增量法来计算纠缠熵，并通过大规模量子蒙特卡罗模拟研究了其在去约束临界（DQC）点的标度行为。该研究促进了对量子力学规律更全面的探索，朝着量子材料的实际应用又迈进了一步。该研究题为“在去约束量子临界性下缩放纠缠熵”，该研究于2022年1月3日发表在《Physical Review Letters》上。二维莫尔材料，例如扭曲的双层石墨烯，在新量子态的研究中发挥着深远的作用。它们还在量子计算机的开发中发挥作用。但材料只能在极低温度或极高压力下达到量子态，此时热效应不再阻碍引发不同量子态或量子相之间量子相变的量子涨落。因此，测试不同物质的原子和亚原子粒子何时以及如何通过量子态纠缠自由通信和相互作用的实验成本高昂且难以执行。由于经典LGW（Landau、Ginzburg、Wilson）框架无法描述某些量子相变，称为溶液量子临界点(DQCP)，因此研究进一步复杂化。那么问题来了，是否有可能找到一个DQCP现实点阵模型来解决DQCP和QCP之间的不一致性。对这一主题的专门探索产生了大量的数值和理论工作，但结果相互矛盾，解决方案仍然难以捉摸。纠缠熵：由A部分和B部分组成的量子力学系统，A和B之间可能存在某种远距离相关性，即使A和B之间没有相互作用力，这种联系仍然存在，而A和B之间的空间距离A部分和B部分可以很远，这个概念叫做纠缠。通常使用纠缠熵来定量分析纠缠的强度。事实上，纠缠的概念并不局限于将系统分为两部分，但多部分的纠缠强度在定量分析上遇到了很多困难，至今仍是物理学家研究的课题之一。常见的纠缠熵定义在由A部分和B部分组成的纯态系统中，如冯诺依曼熵和Rényi熵。香港大学物理系的一个研究团队通过研究量子纠缠向解决这个问题迈出了一步，这标志着量子物理学与经典物理学之间的根本区别。研究团队为蒙特卡罗技术开发了一种新的、更高效的量子算法，科学家们用它来测量物体的Rényi纠缠熵。使用这个新工具，他们测量了DQCP处纠缠的Rényi熵，发现熵的标度行为，即它如何随系统尺寸变化，与传统LGW型相变所描述的行为形成鲜明对比。“我们的发现通过否认单一理论描述DQCP的可能性，有助于证实对相变理论的革命性理解。我们工作提出的问题将有助于在寻求全面了解未知领域的过程中取得进一步突破，”郑岩博士说”这一发现改变了我们对传统相变理论的理解，并提出了许多关于如何限制量子临界性的有趣问题。我们开发的新工具有望帮助解开困扰科学界二十年的量子相变之间的关系。“这一发现将导致对新型量子材料的关键行为进行更普遍的表征，并朝着实现在推动人类进步中发挥重要作用的量子材料的应用迈进。”孟紫阳博士说。模型为了测试算法的效率和优越性，并展示DQCP和普通QCP之间纠缠熵的明显差异，研究团队选择了两个代表性模型——承载普通O(3)QCP的J1-J2模型和J-Q3模型托管DQCP，如图1所示。图1：两个点阵模型。（来源：论文）非平衡增量算法在以往方法的基础上，研究团队创建了一种高度并行的增量算法。如图2所示，该算法的主要思想是将整个仿真任务分成许多更小的任务，使用大量的CPU并行执行更小的任务，从而大大减少仿真时间。这种改进的方法帮助团队以高效率和更好的数据质量模拟了上述两个模型。图2：QMC图和非平衡增量法的示意图。（来源：Paper）研究发现，采用非平衡增量法，研究团队成功获得了两种模型在不同系统规模的QCP和DQCP处的第二Rényi纠缠熵。数据如图3所示，从插图中可以看出，当减去前导项（纠缠边界的面积定律贡献）时，从属项的符号清楚地区分了QCP（J1中为负）-J2模型，)和DQCP（在J-Q3模型中为正）。这一发现排除了基于单一假设描述DQCP的可能性，并为DQC理论提出了几个有趣的问题。这一发现可能导致对新量子材料的关键行为进行更一般的表征。研究人员说：“更系统地理解复杂共形场论对其普适常数的有限尺寸校正很重要，我们将其留给未来的工作。”“此外，还应调查其他可能的漂移来源以及它们如何影响拐角校正。。”论文链接：https://arxiv.org/abs/2107.06305
