陳根：探索量子糾纏，解謎量子材料_風聞

文/陳根

量子材料研究對推動人類科技進步有着深遠的影響。所謂量子材料，當前比較公認的範疇覆蓋了凝聚態物質中的“關聯量子系統”。

這類材料具有一定的量子關聯特徵，或者具有特定的量子序，包括超導電性、磁序/鐵性序。這些系統或者説材料所表現的性質，難以用凝聚態物理教科書所涵蓋的單電子理論來描述。

例如，導電行為偏離了金屬電子氣基本特徵的金屬材料、磁性材料、包含有d電子和/或f電子的半導體及絕緣體等電子-電子相互作用不能忽略的材料，都統歸在量子材料範疇內。

**此外，****那些電子性質呈現“反常”量子效應的材料也當屬此類，**例如拓撲絕緣體、狄拉克電子系統。那些集體行為呈現量子特徵的系統如超冷原子、冷激子、極化子等等體系也可歸於此類。毫無疑問，衍生概念是量子材料研究的共同特徵。

推而廣之，那些處於研究前沿的凝聚態和材料科學領域基本上都有量子材料在扮演重要角色，如超導、磁性、鐵電、光電半導體、催化、儲能、熱電、光伏轉換等領域。

**但是，**量子材料的實現需要超低温和超高壓的環境，此時周圍環境的熱效應會變得很弱，而量子效應成為決定物質狀態的主要因素。量子漲落會誘發物質在不同量子態之間的相變，包括非超導態到超導體的相變，這種由量子效應而非熱效應主導的相變點被稱為量子相變點（Quantum Critical Points, QCPs）。

對於量子相變的研究有助於科學家們尋找和製造更適合實際應用的量子材料**，****比如超導體和石墨烯。**一直以來， 科學家們都利用LGW相變理論作為量子相變研究的基礎。然而，研究人員發現，一種新型的去禁閉量子相變點（Deconfined Quantum Critical Points, DQCPs）無法用現有的LGW框架來解釋。

因此，過去幾十年裏，就是否可以找到能兼容去禁閉量子臨界點和普通的量子臨界點的格點模型，科學家一直在尋找答案，他們提出了大量的理論和數值研究，但問題仍然未徹底解決。

在這樣的背景下，港大物理學系博士研究生趙家瑞、嚴正博士及孟子楊博士通過對物質量子糾纏的研究，成功找到了一種可能的解決方案。研究團隊發展了一種新型和更高效的測量量子糾纏熵的量子蒙特卡洛算法，通過這個強有力的算法，他們成功的精確測量了DQCP的量子糾纏熵，並發現數據與利用傳統LGW框架來解釋，存在顯著差異，為科學家對量子相變本質的理解帶來重要突破。

研究人員表示，他們的發現，開啓了對量子相變一種新的突破性的理解，那就是DQCP不是一種典型的麼正共形場論，亦不能用LGW單一理論框架來解釋。

並且，通過新型的蒙特卡洛算法，研究人員得以更有效地測量量子糾纏熵，改變了研究人員對傳統量子相變理論的理解，在這個問題的研究邁進了一大步，也引發了禁閉量子相變這領域不少深層次的問題。