量子纠缠（Quantum Entanglement）是量子物理学中最神秘的现象之一——无论粒子间相距多远，它们的量子态依然紧密相连。然而，理解复杂量子系统中纠缠的行为一直是一项艰巨的任务。

最近，香港大学（港大）物理学系的研究团队及其合作伙伴开发了一种名为“纠缠显像”（Entanglement Microscopy）的量子物理算法，首次在微观尺度上呈现和描绘这一非凡现象。通过这项技术，科学家得以放大并观察纠缠粒子之间复杂的相互作用，揭示量子物质的隐藏结构，这不仅为技术革新提供了新的可能性，还能扩阔对宇宙的理解。

这项研究由港大物理学系孟子杨教授主导，博士研究生汪丁冬和宋孟涵共同编写，并与加拿大满地可大学（University of Montreal）的William WITCZAK-KREMPA教授及博士研究生吕柳可合作，揭示了多体系统中量子纠缠的隐藏结构，为理解量子物质的行为提供了新的视角。他们的研究成果已在著名期刊《自然通信》（ Nature Communications ）上发表。

映射量子纠缠的突破

量子纠缠描述了粒子之间一种深层次的联系——即使相隔多远，当一颗粒子的状态发生变化时，与它相连（纠缠）的另一颗粒子的状态会瞬间受到影响。这种现象可以用一个简单的比喻来说明：想像在不同地点掷出两颗骰子，无论它们相隔多远，只要其中一粒骰子掷出结果，与它纠缠的另一粒骰子总会掷出与之相关联的结果。这种现象被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”(spooky action at a distance)。

除了理论层面的研究价值，量子纠缠也在量子计算、密码学，以及对特殊材料和黑洞的研究发挥着关键作用。然而，由于在量子多体系统中涉及的数据量极其庞大，想要用计算或数学分析的方法来了解其中的纠缠信息非常困难。

有见及此，研究人员通过开发“纠缠显像”算法来应对这项难题。这个算法利用一种强大而创新的模拟技术——大规模量子蒙特卡罗模拟(Large-scale Quantum Monte Carlo Simulation)，能够从量子系统的小区域中提取出量子纠缠的信息。通过聚焦这些微观区域，科学家能观察粒子之间是如何以复杂的方式互相影响并组成结构，揭示粒子的相互作用方式，尤其是在量子相变的临界点(critical point)附近，系统行为正在发生剧烈变化时。

他们的研究集中在凝聚态物理中两个基本且重要的二维模型：横场伊辛模型(Transverse-field Ising Model)和费米子tV 模型(Fermionic tV model)。其中，费米子tV 模型与一种特殊的量子相变——Gross-Neveu-Yukawa (GNY)相变——密切相关，这种相变涉及狄拉克费米子（Dirac fermion）的动力学，帮助我们理解粒子间的复杂互动。这两个模型分别揭示了量子纠缠在不同物理系统中的性质与特征。

研究发现，在伊辛量子临界点的纠缠是短程的——这意味着粒子之间的纠缠仅限于较短的距离之内，而这种纠缠对外部条件非常敏感，会因距离或温度的变化而“突然失联(sudden death)”。相比之下，在费米子tV模型中，即使相距较远，其纠缠也会以渐缓的方式减弱，这表明粒子尽管相距较远仍能“保持通话”。这种对比揭示了两种模型在量子纠缠性质上的显著差异。

有趣的是，他们发现在二维伊辛模型相变中，并未侦测到三体纠缠(Tripartite Entanglement)，而这种三体纠缠却存在于一维系统中。这表明，系统的维度对量子纠缠的性质具有显著影响。以社交网络作比喻，低维度系统就像一个较小的朋友圈，朋友之间更容易建立紧密的联系；而高维度系统则类似于一个庞大的社交网络，当网络规模变大且结构变得更复杂时，个体之间反而难以形成深层次的交流与联结。这项发现不仅揭示了量子纠缠在不同维度中的行为差异，也为理解纠缠结构如何随着系统复杂性的增加而演变提供了重要的理论基础与启示。

应用与影响

这项突破对推动量子技术的发展具有重要意义。对量子纠缠更清晰的理解，不仅有助于优化量子计算硬件和算法，还能提升密码学和人工智慧等领域的解难速度。此外，这项发现有望为设计下一代量子材料提供新的方向。这些材料在能源、电子学和超导性方面具有广泛应用的潜力。同时，这项成果能够加深我们对基本物理学的理解，同时提升化学和生物学中的量子模拟能力。这些应用不仅推动了科学研究的前沿发展，也为各行业的技术革新注入了新的动力。

以上研究以Entanglement Microscopy and Tomography in Many-Body Systems为题，已正式发表在国际知名期刊《Nature Communications》。