一项最近的研究揭开了量子系统纠缠网络中一些隐藏的秘密。
在量子物理的复杂世界中，粒子以似乎违背空间和时间标准规则的方式相互作用，蕴藏着一个深刻的谜团，持续吸引着科学家的注意：去限制量子临界点（DQCPs）的性质。这些难以捉摸的临界现象突破了传统物理学的框架，提供了一个迷人的视角，窥探量子物质在这些神秘交汇点上的行为方式，这挑战了我们对塑造宇宙的基本力量的经典理解。
这项研究由香港大学物理系的孟子扬教授领导，博士生宋梦涵共同撰写，并与香港中文大学、耶鲁大学、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、博鸿大学和德累斯顿工业大学的研究人员合作，揭开了量子系统纠缠网络中一些隐藏的秘密。
他们的发现最近发表在《科学进展》杂志上，推动了现代物理学的边界，并为量子物质在这些神秘交汇点上的运作提供了新的视角。这项研究不仅加深了我们对量子力学的理解，还为未来可能颠覆技术、材料科学甚至我们对宇宙的理解的发现铺平了道路。
去限制量子临界点是什么？
在日常生活中，我们熟悉相变，比如水冻结成冰或沸腾成蒸汽。这些相变是众所周知的，并且通过热力学加以解释。然而，在量子物理的领域，相变可以在绝对零度下（-273.15°C）发生，其驱动因素不是热能，而是量子波动——在最小尺度上粒子的不确定小运动。这些被称为量子临界点。
传统的量子临界点作为两个不同状态之间的边界：一个对称破缺相（有序相），粒子排列整齐，另一个无序相，粒子混乱无序。这种相变被兰道理论很好地描述，这一框架是我们对相变理解的基础，已经维持数十年。
但是，去限制量子临界点（DQCPs）打破了这种模式。DQCPs并不是将有序相和无序相分开的明确边界，而是位于两种不同的有序相之间，每种有序相具有其独特的对称破缺模式，意味着在一种相中粒子的排列或相互作用方式与另一种根本不同。这是不同寻常的，因为传统上，相变涉及从有序状态转变为无序状态，而不是从一种类型的秩序转变为另一种。这一区别使得DQCPs在根本上不同且极具吸引力。
科学家们花了几十年辩论DQCPs是否代表连续相变（光滑和渐进）或一阶相变（突然和急剧）。理解DQCPs可以为粒子相互作用和奇异物质状态的出现提供新的见解。
谜团的关键：纠缠熵
这项新研究的核心是纠缠熵的概念，即量子系统中粒子间相互关系的度量。它提供了量化系统不同部分之间共享信息量的方法。纠缠熵为窥探量子系统的隐藏结构提供了一个视角，成为探测量子物质和理解在临界点出现的复杂相互作用本质的基本工具。
利用先进的量子蒙特卡洛模拟（用于建模量子系统的计算方法）和严谨的理论分析，研究人员考察了方格晶格SU(N)自旋模型中纠缠熵的行为——这是一个旨在捕捉DQCPs本质的理论框架。
他们细致的计算揭示了一些不寻常的现象：当N取小值（一个决定系统对称性的参数）时，纠缠熵的行为偏离了光滑、连续相变的预期。相反，他们发现DQCPs表现出异常的对数行为，违背了通常与连续相变相关的理论限制。
突破：临界阈值和共形不动点
这项研究最引人注目的发现之一是确定了N的临界阈值。当N超过这个阈值时，DQCPs表现出与共形不动点一致的行为——一个描述光滑、连续相变的数学框架。这一发现具有重要意义，因为它表明在某些条件下，DQCPs可以类似于连续相变。在这些临界点上，系统与共形不动点对齐，揭示了量子世界中隐藏的结构，在这里，不同相之间的边界消失，物质呈现出非同寻常的流动状态，违抗了通常的物理法则。
为什么这很重要
这些发现的意义深远。DQCPs提供了一个独特的测试平台，探索量子力学、对称性和临界现象之间的相互作用。理解其本质可能会开启新的洞察：
- 奇异物质状态：DQCPs被认为与奇异相的出现有关，例如量子自旋液体，这些在量子计算和其他先进技术中具有潜在应用。
- 基本物理学：通过挑战传统的兰道范式，DQCPs迫使我们重新思考支配相变的原则，可能导向新的理论框架。
- 技术创新：从研究DQCPs中获得的见解可以为设计具有独特量子特性的材料提供信息，例如高温超导体或量子磁体。
结论 去限制量子临界点的神秘世界立足于现代物理学的前沿，提供了一个窥视量子力学未知领域的机会。通过对纠缠熵和SU(N)自旋模型的细致研究，研究人员在揭示这些临界现象的奥秘方面取得了重大进展。
这项研究是与香港中文大学的赵嘉瑞博士、耶鲁大学的孟程教授、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的徐岑克教授、博鸿大学的迈克尔·M·谢雷教授以及德累斯顿工业大学的卢卡斯·扬森教授合作进行的。
