港大物理学系研究成果：测量量子纠缠熵的新算法

港大物理学系的团队近日研究出一种测量量子纠缠熵的新算法，有助于探索量子世界的运行规律，并使量子材料的实际应用更进一步。

近期，这项关键性的研究于著名学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）中发表。 

量子材料研究对推动人类科技进步有着深远的影响。二维的莫瑞（Moire）材料，比如双层转角石墨烯，有助我们理解超导体的本质，从而帮我们找到适合工业应用的常温超导体。它也被视为可用作建造性能远超经典计算机的量子计算机基础器件材料。因此，对于量子材料本质的研究和探索将会促进科研技术的进步，从而提高人类的生产和生活水平。

量子材料的实现需要超低温和超高压的环境，此时周围环境的热效应会变得很弱，而量子效应成为决定物质状态的主要因素。量子涨落会诱发物质在不同量子态之间的相变，包括非超导态到超导体的相变，这种由量子效应而非热效应主导的相变点被称为量子相变点（Quantum Critical Points, QCPs）。对于量子相变的研究有助于我们寻找和制造更适合实际应用的量子材料（比如超导体和石墨烯）。因为需要超高压和低温的环境，目前实验室对于量子材料的研究十分困难并且花费高昂，大大限制了我们对于量子材料的探索和认识。

 科学界过去一直利用LGW（Landau, Ginzburg, Wilson）相变理论作为量子相变研究的基础。然而研究人员发现，一种新型的去禁闭量子相变点（Deconfined Quantum Critical Points, DQCPs）无法用现有的LGW框架来解释。在过去十几年间，就是否可以找到能兼容去禁闭量子临界点和普通的量子临界点的格点模型，科学家一直在寻找答案，他们提出了大量的理论和数值研究，但问题仍然未彻底解决。

在这一背景下，港大物理学系博士研究生赵家瑞、严正博士及孟子杨博士通过对物质量子纠缠的研究，成功找到了一种可能的解决方案。研究团队发展了一种新型和更高效的测量量子纠缠熵的量子蒙特卡洛算法，通过这个强有力的算法，他们成功的精确测量了DQCP的量子纠缠熵，并发现数据与利用传统LGW框架来解释，存在显著差异，为科学家对量子相变本质的理解带来重要突破。

 “我们的发现，开启了对量子相变一种新的突破性的理解，那就是DQCP不是一种典型的幺正共形场论，亦不能用LGW单一理论框架来解释。我们的研究所提出的问题，将会促进学术科研领域的进一步突破。” 严正博士说。

“通过新型的蒙特卡洛算法，我们得以更有效地测量量子纠缠熵，改变了研究人员对传统量子相变理论的理解，在这个问题的研究迈进了一大步，也引发了禁闭量子相变这领域不少深层次的问题。这个新工具将帮助我们解开已经困扰了科学界二十年的关于量子相变的谜题。”论文第一作者、博士生赵家瑞道。

“这个发现将会促进对于量子材料的临界行为的理解，帮助我们寻找更适宜工业应用的量子材料，从而促进人类技术和生产力的进步。”孟子杨博士补充说。获 取 更多前沿科技 研究 进展访问：https://byteclicks.com

有关此研究项目

赵家瑞是港大物理学系博士研究生，师从孟子杨博士。

这项研究获香港研资局、卓越学科领域计划“二维材料研究：面向新兴技术的基础”项目和中国自然科学基金委员会资助，香港大学-TCL人工智能联合研究中心的种子基金“量子启发可解释人工智能”资助。

论文的第一作者为港大物理学系博士研究生赵家瑞