一组研究人员最近在量子物理中引入了一种创新算法，称为“纠缠显微镜”。这种方法允许在微观层面上可视化和绘制量子纠缠这种卓越现象的图谱。通过检查纠缠粒子的复杂相互作用，可以揭示量子物质中的隐藏结构，从而为潜在的技术进步和对宇宙的更深入理解铺平道路。
量子纠缠是一种现象，在这种现象中，粒子以一种缠绕的方式相互交织，一个粒子的状态与另一个粒子的状态相互关联，无论分隔他们的距离有多远。这个概念在物理学中提出了重大挑战，特别是涉及其在复杂量子系统中的行为。
香港大学物理系的一个研究小组及其合作伙伴最近设计了一种开创性的算法，称为“纠缠显微镜”。这种先进的技术在微观尺度上可视化和绘制量子纠缠的复杂现象。通过仔细检查纠缠粒子的微妙相互作用，研究人员可以揭示量子物质中的复杂结构，为技术进步和对宇宙的更深理解铺平道路。
这项研究由孟紫扬教授主导，香港大学物理系的博士生王丁通和宋梦寒共同署名，与蒙特利尔大学的威廉·维茨扎克-克伦帕教授和博士生吕刘凯合作，阐明了多体系统中量子纠缠的隐秘结构。他们的研究成果已在《自然通讯》杂志上发表。
量子纠缠绘图的突破
量子纠缠意味着粒子之间存在深刻的联系，其中一个粒子的状态与另一个粒子的状态瞬时联系在一起，无论隔开他们的距离有多远。想象一下在不同地方掷两个骰子——量子纠缠类似于一个骰子的结果总是影响另一个骰子的结果，无论它们相距多远。这个现象被阿尔伯特·爱因斯坦称为“远距离的鬼魅作用”，不仅仅是一个理论概念；它是量子计算、密码学以及探索奇异材料和黑洞等技术的基础。然而，由于涉及大量的自由度，从量子多体系统中获取纠缠信息在分析和数值上都是 inherently具有挑战性的。
为了应对这个问题，研究人员开发了“纠缠显微镜”，这是一种基于大规模量子蒙特卡洛模拟的创新协议，能够巧妙地从量子系统中的小区域提取量子纠缠信息。通过集中关注这些微观区域，这种方法展示了粒子如何相互作用并以复杂的模式排列，特别是在量子相变的临界点附近——量子系统经历重大行为改变的特定状态。
研究人员将他们的调查集中在两个主要的二维模型上：横场伊辛模型和费米子t-V模型，后者实现了狄拉克费米子的一种格罗斯-涅维-尤卡瓦转变。每个模型都提供了关于量子纠缠特征的迷人见解。他们发现，在伊辛量子临界点上，纠缠是局部化的，这意味着粒子之间的连接仅在短距离内存在。由于距离或温度的变化，这种连接可能会突然消失——这一现象被称为“突发死亡”。相反，他们对费米子转变的研究显示，即使在更大距离下，纠缠也会以更渐进的方式减少，这表明粒子可以在更远的距离上保持它们的连接。
有趣的是，团队注意到在二维伊辛转变中，三粒子纠缠是缺失的，而在一维系统中存在。这表明系统的维度显著影响纠缠的行为。简而言之，低维系统可以比作一小圈朋友，其中有意义的连接（复杂的多粒子纠缠）更有可能存在。相比之下，高维系统则类似于更大、更复杂的社交网络，这些网络往往抑制如此强烈的连接。这些见解对于理解随着量子系统复杂性增加而演化的纠缠结构至关重要。
应用和影响
这一突破对量子技术的进步具有重要意义。通过增强我们对纠缠的理解，它可以优化量子计算硬件和算法，促进在密码学和人工智能等领域的更快问题解决。此外，它为下一代量子材料的创造铺平了道路，潜在应用于能源、电子和超导性。这一工具还有可能加深我们对基础物理的理解，丰富在化学和生物学中的量子模拟。
