此外,我们推导出信息能量交换方程(I = (E - mgh) / k),该方程将信息能量与势能、引力常数和比例常数 k 联系起来。该方程使我们能够分析信息系统中信息能量与其他形式能量之间的相互作用,为理解信息动态提供了一个统一的框架
我们并不了解所有能量无限高(或距离无限小)内的物理学。因此,我们所有的理论都是有效的低能(或大距离)理论(万物理论除外,如果这样的东西存在的话)。在高能量尺度 M(和短距离尺度 1 / M )下,有效理论不成立。我们想要描述光粒子(质量 mi ≪ M )及其在低能量下的相互作用,即特征动量 pi ≪ M(或等效地,在大距离 ≫ 1 / M )。为此,我们构造了一个包含光场的有效拉格朗日量。小距离 ≲ 1 / M 下的物理学会产生这些场的局部相互作用。拉格朗日量包含所有可能的算子(我们的理论的对称性允许)。维度 n + 4 的算子的系数与 1 / M n 成比例。如果 M 远大于我们感兴趣的能量,我们只能保留可重整化项(维度 4),也许还要进行一两次幂校正。有关有效场论的更多信息,请参阅教科书 [ 1 ]。
2 诊断工具箱:量子纠缠和共形场论.......................................................................................................................................................................................................................................5 2.1 量子纠缠....................................................................................................................................................................................................................................................................6 2.1.1 纠缠:不可分离性....................................................................................................................................................................................................................................................6 2.1.1 纠缠:不可分离性.................................................................................................................................................................................................................................................... 6 2.1.2 冯·诺依曼纠缠熵..................................................................................................................................................8 2.1.3 纠缠缩放..................................................................................................................................................................................10 2.1.4 协方差矩阵方法..................................................................................................................................................................................15 2.2 共形场论..................................................................................................................................................................................15 . . . . 19 2.2.1 共形不变性 . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 希尔伯特空间形式 . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.3 最小模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.4 一个例子:格子伊辛模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .三十七
1. 简介 量子信息论 (QIT) 是经典信息论的量子扩展。它为量子计算、量子通信、量子计量等领域发现了新的强大的信息资源。尽管量子信息技术的应用领域很广,但我们对 QIT 的理解远远落后于完全发展的自然量子理论,即量子场论 (QFT)。QFT 已在从粒子核物理到原子、光学和凝聚态物理、从夸克和核子到黑洞和早期宇宙等所有物理科学领域证明了其有效性和价值。到目前为止,量子信息论主要是在非相对论量子力学的背景下发展起来的,而非相对论量子力学只是成熟 QFT 的一小部分。当需要考虑局部性、因果关系和时空协方差等基本相对论效应时,它显然是不够的。认识到这些相对论效应的重要性,并寻求理解它们在量子信息中发挥的重要作用,开创了相对论量子信息(RQI)这一新兴领域[2]。
凝聚态物理和超冷原子物理的现代实验发展对理论家提出了巨大的挑战。本书对许多粒子物理中的量子场论进行了教学介绍,强调了形式主义对具体问题的适用性。第二版包含两个新章节,开发了经典和量子非平衡现象的路径积分方法。其他章节涵盖了一系列主题,从多体技术和函数积分的介绍,到重正化群方法、响应函数理论和拓扑。强调概念方面和形式方法,但讨论集中在主要来自凝聚态物理和邻近领域的实际实验应用上。具有完整解决方案的扩展和具有挑战性的问题在形式操作和面向研究的思维之间架起了一座桥梁。本书旨在将研究生提升到可以从事独立研究的水平,是对许多粒子理论的研究生课程的补充。
某些酉量子系统的某些方面可以通过非厄米有效汉密尔顿量的演化得到很好的描述,例如自发衰变的维格纳-魏斯科普夫理论。相反,任何非厄米汉密尔顿量的演化都可以通过推广的维格纳-魏斯科普夫理论在相应的酉系统 + 环境模型中得到适应。这证明了量子动力学中异常点等新特征的物理相关性,并为研究耦合常数复平面中的许多体系统开辟了道路。在格点场理论的情况下,稀疏性为这些通道提供了在标准化量子硬件上进行有效模拟的希望。因此,我们考虑了与经历非幺正时间演化的晶格场理论的 Suzuki-Lie-Trotter 近似相对应的量子操作,这些操作可能适用于研究具有拓扑项的有限化学势下的自旋或规范模型,以及量子相变(一系列具有符号问题的模型)。我们开发了非厄米量子电路,并在基准(具有复杂纵向磁场的量子一维 Ising 模型)上探索了它们的前景,表明可观测量可以探测 Lee-Yang 边缘奇点。复杂耦合空间中吸引子的发展超过了临界点,这表明近期有噪声硬件的研究潜力。
凝聚态理论中的张量网络算法 [1-5] 最近在量子引力领域产生了巨大影响,成为研究普朗克尺度时空性质及其全息特性的有力新工具。在 AdS/CFT 框架中,Ryu-Takayanagi 公式与几何/纠缠对应 [6-9] 相结合,导致了一种新的全息对偶构造方法,如今由 AdS/MERA 猜想 [10] 进一步捕获,该猜想建议将量子多体边界态的辅助张量网络分解的几何解释为对偶体几何的表示 [11,12]。张量网络在此意义上的使用产生了一种新的构造方法 [13],其中某些全息理论的关键纠缠特征可以通过张量网络状态类来捕获。在量子引力的非微扰方法中,包括圈量子引力(LQG)和自旋泡沫模型[14-17]及其在群场论(GFT)方面的推广[18-20],前几何量子自由度被编码在随机组合自旋网络结构中,用SU(2)的不可约表示标记,并在每个节点上赋予规范对称性。此类自旋网络态可理解为特殊的对称张量网络[21,22],张量网络技术已在量子引力领域得到广泛应用[23-26]。在半经典层面上,离散时空和几何与此类结构自然相关,其量子动力学与(非交换的)离散引力路径积分相关[27-30]。悬而未决的问题是展示连续时空几何和广义相对论动力学如何从具有相同前几何自由度的全量子动力学中诞生,这实际上将量子时空描述为一种特殊的量子多体系统[31-33]。从这个意义上说,张量网络技术已广泛应用于圈量子引力背景下的自旋泡沫重正化问题[23-26],以及用于分析自旋网络纠缠结构的定量工具,并寻找具有与半经典解释中的良好几何兼容的关联和纠缠特性的自旋网络态类。最近,张量网络表示方案已被用于提取自旋网络态非局域纠缠结构的信息,并在背景独立的情况下理解局域规范结构对全息纠缠的普适标度特性的影响[34]。沿着这条思路,一些作者在 [ 35 ] 中定义了随机张量网络和群场论 (GFT) 状态之间的精确词典,并以此为基础在非微扰量子引力背景下首次推导了 Ryu-Takayanagi 公式 [ 6 ]。该字典还在对 GFT 状态进行不同限制的情况下,暗示了 LQG 自旋网络状态与张量网络之间的对应关系,以及随机张量模型 [ 36 ] 与张量网络之间的对应关系。总结上述字典,GFT 状态定义了具有场论公式和量子动力学的(广义)规范对称张量网络。GFT 张量的场论性质提供了一种自然的随机解释,尽管它对应的概率测度通常与标准随机张量网络模型的概率测度不同。此外,GFT 网络的主要特征——晶格拓扑、张量序、键维数——不是固定的,而是由所考虑的特定 GFT 模型动态诱导的。从这个意义上说,GFT 定义了通常张量网络的广义。因此,GFT 定义的张量网络的关联函数将在很大程度上取决于模型的选择。如 [ 35 ] 所示,标准随机张量网络模型与 GFT 张量网络之间的相似性在非相互作用 GFT 理论的最简单情况下尤其明显,其中理论的传播子诱导最大纠缠
自旋是量子粒子或场的一个基本但非平凡的固有角动量属性,它出现在相对论场论中。波场中的自旋密度由基于正则动量密度和动能动量密度之间差异的理论 Belinfante-Rosenfeld 构造描述。这些量通常被认为是抽象的和不可观察的。在这里,我们从理论和实验上证明,Belinfante-Rosenfeld 构造自然出现在重力(水面)波中。在那里,正则动量与广义斯托克斯漂移现象有关,而自旋是由水粒子的亚波长圆周运动产生的。因此,我们直接将这些基本场论属性观察为经典波系统的微观力学属性。我们的发现揭示了波场中自旋和动量的性质,证明了相对论场论概念的普遍性,并为它们的研究提供了一个新的平台。
在本论文集中,我们回顾了量子计算在格点场理论中的应用的最新进展。量子计算提供了模拟格点场理论的前景,这些理论的参数范围在很大程度上是传统蒙特卡罗方法无法达到的,例如有限重子密度、拓扑项和非平衡动力学的符号问题影响范围。已经完成了 (1+1) 维格点规范理论的首个概念验证量子计算,并开发了首个 (1+1) 和 (2+1) 维格点规范理论的资源高效量子算法。实现 (3+1) 维格点规范理论(包括格点 QCD)的量子计算需要逐步改进量子硬件和量子算法。在回顾这些要求和最新进展之后,我们讨论了主要挑战和未来方向。
5 拓扑场论和量子码 149 5.1 关键范畴和关键霍普夫代数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... .... 184 5.5.6 拓扑量子计算和 Turaev-Viro 模型 . . . . . . . . . . . . 185