
在强耦合量子场论的数值求解领域,共形截断作为一种不依赖晶格正则化的纯场论方法,为处理量子色动力学、凝聚态系统等复杂问题提供了全新视角。
在强耦合量子场论的数值求解领域,共形截断作为一种不依赖晶格正则化的纯场论方法,为处理量子色动力学、凝聚态系统等复杂问题提供了全新视角。然而,即便是这种优化方法,在处理高维、强耦合系统时,经典计算机仍面临算力瓶颈——当截断空间的维度较高时,矩阵运算的复杂程度急剧增加,计算时间常以天为单位。微云全息聚焦这一痛点,探索通过量子算法与
量子设备加速共形截断计算,揭示了量子计算在强耦合场论模拟中的独特优势。共形截断的技术核心在于利用共形对称性实现自由度的高效压缩。在量子场论中,共形对称性要求系统在尺度变换、平移、旋转等操作下保持不变,这一特性允许将无限维的场论希尔伯特空间投影到有限的共形本征态构成的子空间中。具体而言,步骤包括:首先确定系统的共形对称群(如二维场论中的 Virasoro 代数),然后选取能量低于某一截断值的共形本征态作为基矢,构建截断后的有效哈密顿量;再通过求解该哈密顿量的本征值与本征态,逼近原场论的物理可观测量(如粒子质量、相互作用强度)。与晶格方法相比,这种纯场论框架避免了时空离散化误差,能更精准描述连续场论的低能物理,但代价是截断空间的维度随能量上限快速增加,对经典计算构成严峻挑战。
量子计算与共形截断的结合源于两者在数学结构上的深层契合。微云全息的研究发现,共形截断中有效哈密顿量的求解问题,与量子化学中分子哈密顿量的本征求解具有高度相似性——均涉及高维希尔伯特空间中的线性代数运算,且哈密顿量通常具有稀疏性(非零矩阵元占比低)。这种相似性使得量子化学中成熟的量子模拟技术(如变分算法、量子相位估计)可直接迁移至共形截断场景。更关键的是,重整化群理论为这种迁移提供了场论解释:共形截断的能量截断过程本质上是一种紫外重整化,而量子模拟中的量子比特编码可自然对应重整化后的低能自由度,通过量子纠缠高效表征场论中的关联效应,突破经典计算的维度壁垒。
以二维量子色动力学(2D QCD)为研究对象,微云全息在理论与实验层面验证了多种量子模拟方案的可行性。在理论设计上,首先将 2D QCD 的哈密顿量通过共形截断映射为特定维度的有效矩阵,再将其编码为量子电路中的哈密顿量演化算子。具体方法包括:绝热态制备通过缓慢调整量子比特的初始哈密顿量(如乘积态)至目标哈密顿量,利用绝热定理制备基态;变分量子本征求解器(VQE)则通过参数化量子电路生成试探态,结合经典优化算法最小化能量期望值,在 IBM 16-qubit 量子模拟器上实现了 2D QCD 基态能量的变分求解,误差控制在 5% 以内;虚时间演化算法通过模拟指数化哈密顿量的演化生成热态,用于研究有限温度下的相变行为;量子 Lanczos 算法则利用量子相位估计技术,高效求解哈密顿量的前几个低能本征值,为强子谱计算提供数据支撑。这些方法的共性在于:通过量子并行性同时处理截断空间的所有基矢,大幅降低计算复杂度,显著提升计算效率。

微云全息的研究深化了对量子计算与量子场论关系的理解。其工作表明,量子丘奇 - 图灵论题在强耦合场论领域同样成立——任何可计算的场论物理量,都能通过量子算法高效模拟。未来,随着量子比特数量增加与相干时间延长,量子模拟共形截断有望扩展至三维 QCD、规范引力对偶等更复杂系统,解决传统方法难以处
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