论文第一作者为香港大学物理系博士生赵家瑞。
香港大学物理系团队最近开发出一种测量量子纠缠熵的新算法，将有助于探索量子世界的运行规律，让量子材料的实际应用更近一步。
这项重要研究刚刚发表在著名学术期刊《物理评论快报》（ ）上。
量子材料研究对推动人类科技进步产生深远影响。二维莫尔材料，例如双层角石墨烯，可以帮助我们了解超导体的性质，并帮助我们找到适合工业应用的室温超导体。它也被视为一种可以用作构建性能远远优于经典计算机的量子计算机的基础的材料。因此，对量子材料本质的研究和探索将促进科学研究和技术的进步，从而提高人类的生产和生活水平。
量子纠缠熵和量子材料
量子系统示意图，其中A是子系统，B是子系统A的补充。对于物质的纠缠量子态，系统中的每个粒子通过量子纠缠与其他粒子相关。量子纠缠熵可以测量系统A中的粒子与系统中其他粒子之间的纠缠强度。纠缠熵越大，A和B之间的纠缠越强。由于不同量子材料体系中的纠缠程度不同，因此可以用量子纠缠熵来表征不同的量子态。
量子材料的实现需要超低温、超高压的环境。这时，周围环境的热效应会变得非常微弱，量子效应成为决定物质状态的主要因素。量子涨落可以引起物质不同量子态之间的相变，包括从非超导态到超导态的相变。这种由量子效应而非热效应主导的相变点称为量子相变点（QCP）。 ）。量子相变的研究有助于我们寻找和创造更适合实际应用的量子材料（如超导体和石墨烯）。由于需要超高压和低温环境，目前对量子材料的实验室研究非常困难且昂贵，这极大地限制了我们对量子材料的探索和理解。
科学界过去一直使用LGW(,,,,)相变理论作为量子相变研究的基础。然而，研究人员发现，一种新型的解禁量子相变点（DQCP）无法用现有的 LGW 框架来解释。在过去的十年里新兴物理学家有哪些，科学家们一直在寻找答案，是否有可能找到一种与解禁量子临界点和普通量子临界点兼容的晶格模型。他们提出了大量的理论和数值研究，但问题并没有得到彻底解决。 。
在此背景下，香港大学物理系博士生赵家瑞、严正博士和孟紫阳博士通过物质量子纠缠的研究，成功找到了可能的解决方案。研究团队开发了一种新的、更高效的量子蒙特卡罗算法，用于测量量子纠缠熵。通过这个强大的算法，他们成功精确测量了DQCP的量子纠缠熵，发现数据与使用传统LGW框架一致。解释上存在显着差异，为科学家对量子相变本质的认识带来重要突破。
“我们的发现开启了对量子相变认识的新突破，即DQCP不是典型的正共形场论，也不能用LGW的单一理论框架来解释。我们的研究提出的问题将推动量子相变的进一步突破。”学术研究领域，”严正博士说。
“通过新的蒙特卡罗算法，我们可以更有效地测量量子纠缠熵，这改变了研究人员对传统量子相变理论的理解。它使这一问题的研究向前迈进了一大步，也引发了受限量子相变的发现。这个领域还存在很多深层次的问题。这个新工具将帮助我们解开困扰科学界二十年的量子相变之谜。”该论文的第一作者赵家瑞说。
“这一发现将促进我们对量子材料关键行为的理解，帮助我们找到更适合工业应用的量子材料，从而推动人类技术和生产力的进步。”孟紫阳博士补充道。
研究模型
为了测试算法的效果，论证QCP与DQCP的本质区别，研究团队测量了包含普通QCP的J1-J2模型和包含DQCP的J-Q3模型的纠缠熵。如图2所示，当调整Q项和J项的比例时，J-Q3模型中会出现DQCP新兴物理学家有哪些，当调整J1和J2的比例时，会出现QCP。
图 2：两个网格模型
非平衡累加算法
博士生赵家瑞基于非平衡方法的最新发展，提出了一种高度并行的非平衡累加算法。如图3所示，该方法利用非平衡过程的可分性，将整个模拟任务分解为许多较小的任务，并使用大量CPU并行执行这些较小的任务，从而大大减少了计算量时间并提高算法效率。这种改进的方法帮助团队更快地模拟前面提到的两个模型，并提供更好的数据质量。
图3：量子蒙特卡罗模拟与非平衡累加算法示意图
研究结果
研究团队利用非平衡递增累加算法，成功获得了不同系统规模下QCP和DQCP上的二阶Rényi纠缠熵。得到的结果如图4所示。对于两个不同的相变点网校头条，减去一阶线性项后，二阶对数项的系数符号相反。这一发现排除了 DQC 由正共形场论描述的可能性，并进一步提出了有关 DQC 理论的更多有趣问题。这一发现将导致人们对新量子材料的关键行为有更多的了解。一般表示和理解。
图 4：两个模型二阶 Rényi 纠缠熵的测量结果。
关于这个研究项目
赵家瑞是香港大学物理系博士研究生，师从孟紫阳博士。
这项研究得到香港研究资助局、卓越领域计划“二维材料研究：新兴技术基金会”项目和中国自然科学基金委员会的资助。香港大学-TCL人工智能联合研究中心种子基金“量子启发可解释人工智能”资助。我们感谢理学院和香港大学信息科技处的计算项目以及国家超级计算机中心提供的技术支持和广泛的高性能计算资源，为本文的研究成果做出了贡献。
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