探索量子纠缠，解谜量子材料

文/陈根

量子材料研究对推动人类科技进步有着深远的影响。所谓量子材料，当前比较公认的范畴覆盖了凝聚态物质中的“关联量子系统”。

这类材料具有一定的量子关联特征，或者具有特定的量子序，包括超导电性、磁序/铁性序。这些系统或者说材料所表现的性质，难以用凝聚态物理教科书所涵盖的单电子理论来描述。

例如，导电行为偏离了金属电子气基本特征的金属材料、磁性材料、包含有d电子和/或f电子的半导体及绝缘体等电子-电子相互作用不能忽略的材料，都统归在量子材料范畴内。

此外，那些电子性质呈现“反常”量子效应的材料也当属此类，例如拓扑绝缘体、狄拉克电子系统。那些集体行为呈现量子特征的系统如超冷原子、冷激子、极化子等等体系也可归于此类。毫无疑问，衍生概念是量子材料研究的共同特征。

推而广之，那些处于研究前沿的凝聚态和材料科学领域基本上都有量子材料在扮演重要角色，如超导、磁性、铁电、光电半导体、催化、储能、热电、光伏转换等领域。

但是，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科学家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。一直以来， 科学家们都利用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。

因此，过去几十年里，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。

在这样的背景下，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。

研究人员表示，他们的发现，开启了对量子相变一种新的突破性的理解，那就是DQCP不是一种典型的么正共形场论，亦不能用LGW单一理论框架来解释。

并且，通过新型的蒙特卡洛算法，研究人员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。