|作者:姚尧
(华南理工大学物理与光电学院)
本文选自《物理》2024年第2期
1 引 言
2 自由能与温度
3 量子混沌
4 量子热化理论
图2 三维空间中的系统
5 局域化
这就是著名的电导率律,与实验定性吻合。
上述局域化本质上都是单电子图像,而强关联体系中由于多体相互作用的存在,一些简并性无法被去除,能级无法互斥,不再是严格意义上的量子热化态,也无法写成任何广义吉布斯系综形式的局域化,这就是所谓的多体局域化(many-body localization,MBL)。这个词最早出现于2006年D. M. Basko等人发表在Annals of Physics上的文章[8]。不过早期工作仍以安德森局域化的框架为主,只是传统模型的简单推广。真正产生影响力是在量子热化理论成名以后,量子统计和凝聚态理论开始深度融合,多体局域化与量子热化成为相互对应的名词,并广泛“出圈”。
早期的多体局域化研究沿袭热化理论的习惯,主要探讨能级分布。通过建立一个多体相互作用模型,加上无序势,计算其本征能级分布是互斥的还是聚簇的,若为前者则是热化,若为后者则是多体局域化。这样做的最大问题,是难以与热化中的预热化、局域化中的安德森局域化相区分。随后就出现了第二类研究方案,即量子淬火动力学,淬火会导致有限尺寸的局域孤子出现,这是研究局域化非常好的出发点。在此基础上,一个完全超越预期的现象被发现,那就是纠缠熵的对数传播。
在安德森局域化中,局域态之间的相互作用是e指数衰减的,即互相之间完全隔绝,不会发生任何信息传播。但在多体局域化中,J. H. Bardarson等人的数值计算结果表明[9],纠缠熵会在很长时间内以对数形式缓慢增长。这一结果在许多计算中得以证实,被确认为多体局域化最关键的动力学特征,它反映了局域态之间存在着等效长程相互作用。这是一个令人振奋的结果,意味着量子计算可以在不改变局域态布居数,也就是能量的情况下,传播量子信息。
于是,在多体局域化应用到量子计算的探讨中,有了局域比特(l-bit)的概念。所谓局域比特,其实就是局域运动积分,它们是能够长时间保持不变的局域守恒量。以经典的伊辛模型为例,它的就是局域运动积分,初始状态一旦确定为它的本征态,就无法被改变。一般的,假设某个多体局域化系统的局域比特为,它的哈密顿量总可以写为如下形式:
其中,ε0、μi、Jij、Kijk分别为零点能量、单体在位能、两体相互作用能、三体相互作用能。这里的局域比特可以是自旋,也可以是任意粒子或多态系统,一个实际体系的哈密顿量,只要能变换成这样的形式,它就是多体局域化的。
这样的局域比特模型能很好地解释纠缠熵的对数传播。以两个相距x的局域比特为例,中双算符相互作用能应随空间距离e指数衰减,即。根据测不准原理,相应的时间不确定性为,也就是距离越远,两个局域比特退相干的时间越长。若假定纠缠熵在x范围内各态历经、均匀分布,即S∝x,立即得到S ∝ ln δt,正是纠缠熵的对数传播律。
由于离散能级和局域比特的存在,多体局域化系统的本征态必然是局域态,这些局域态一定会发生自发对称性破缺。局域比特如果是一个自旋,它只可能处在朝上或朝下的某一个态,双态之间无法转换。基态则是这些局域比特所形成的长程序,因此多体局域相也被称为本征态有序相。或许未来我们可以用多体局域化来统一解释强关联体系中复杂的相变问题。
6 量子热机
7 量子资源论
8 通向万物理论之路
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