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Sandbox Physics
格点规范场与弦断裂

L3 · 第 4 章

释放电通量弦以后会发生什么

弦释放以后,粒子跃迁把概率振幅分给带物质对的组态;相应的链电场随之降低。在有限、与外界隔离的开放量子链中,这些振幅也会重新相遇,电场可以回来。要读懂这段过程,电场、物质与守恒量必须一起看。

每个能量分量走自己的相位

把有限 Hamilton 矩阵对角化,就得到能量 Ek\mathcal E_k 与对应态 ∣k⟩|k\rangle。对角化只是换一套基底,让 Hamilton 量作用在每根新基矢上时,只乘一个数。先把初态投影到这些态上,再让每份振幅按各自的能量转动,最后加回来。

投影得到的 ⟨k∣ψ(0)⟩\langle k|\psi(0)\rangle 就是初态沿第 kk 个能量态的振幅。把这个能量态的各分量取复共轭,与初态对应分量相乘后求和,就得到该振幅。

两个能量分量的相位差随时间改变,测量概率也就可能改变。电场变暗不是把一条经典绳子截开;它是同一个量子态在不同通量组态之间分配概率的结果。图中的亮度表示期望值,单次测量则会给出某个允许组态。

∣ψ(t)⟩=∑ke−iEkt∣k⟩⟨k∣ψ(0)⟩|\psi(t)\rangle=\sum_k e^{-i\mathcal E_k t}|k\rangle\langle k|\psi(0)\rangle
在约化 Planck 常数为一时,能量乘时间就是相位角。精确对角化针对保留的有限模型;舍入和对角化残差仍需测量。

对应阅读:E. A. Martinez et al. · Sandbox Physics FR04 finite Hamiltonian · Sandbox Physics FR04 original numerical references and reproduction scripts

两态共振给出一条能手算的曲线

四格点、两端外源、电通量上限一时,物理基底恰好只有初始弦和屏蔽中间一段的组态。减去初始弦能量,两个对角能量分别为零和 Δ=2m−g2/2\Delta=2m-g^2/2,中间的允许跃迁矩阵元为 −w-w。

两态能量差由跃迁耦合与失谐共同决定。取 m=1/4m=1/4、g2=1g^2=1、w=1w=1,失谐为零,带一对电荷的概率就是 sin⁡2t\sin^2t。到 t=π/2t=\pi/2 时完整转移,到 t=πt=\pi 时回到初始弦。这里的完整振荡是该两态截断模型的精确结果。

Htwo=(0−w−wΔ),Ω=Δ2+4w2H_{\mathrm{two}}=\begin{pmatrix}0&-w\\-w&\Delta\end{pmatrix},\qquad \Omega=\sqrt{\Delta^2+4w^2}
失谐是两张固定组态图的能量差,跃迁让它们混合。矩阵两条本征能量之间的间隔是振荡频率。
Ppair(t)=4w2Ω2sin⁡2(Ωt2)P_{\mathrm{pair}}(t)=\frac{4w^2}{\Omega^2}\sin^2\left(\frac{\Omega t}{2}\right)
初态为完整弦。远离共振时,转换幅度减小。提高电场截断会加入额外组态,必须重新计算。

两处电荷怎样一起涨落

两个位置的平均电荷,还不足以说明它们怎样一起变化。先在每种构型里把两处电荷相乘,再按构型概率平均,得到联合平均;从中减去两个单点平均值的乘积,就留下共同涨落。实验台固定观察站点一与倒数第二个站点,六格点链中就是 11 与 44。

四格点两态例子更容易算。设带一对电荷的概率为 pp。有这对电荷时,中间两点的电荷分别为负一和正一;没有时,两者都是零。单点平均为 −p-p、pp,联合平均为 −p-p,连通关联为 −p(1−p)-p(1-p)。共振演化到 t=π/4t=\pi/4 时,两种构型各占一半,关联为负四分之一。

负号来自两处电荷反向涨落。完整转移后,两处电荷都确定了,共同涨落反而回到零。这个关联描述选定电荷的统计波动;经典概率混合也能给出相同读数。

Cab(t)=⟨QaQb⟩−⟨Qa⟩⟨Qb⟩,(a,b)=(1,N−2)C_{ab}(t)=\langle Q_aQ_b\rangle-\langle Q_a\rangle\langle Q_b\rangle,\qquad (a,b)=(1,N-2)
联合平均与单点平均都由同一个演化态计算。拖动外源时,这两个观测站点保持固定;改变链长才会改变倒数第二个站点的编号。

对应阅读:Sandbox Physics FR04 finite Hamiltonian · Sandbox Physics FR04 original numerical references and reproduction scripts

较长的链为什么更丰富

六格点或八格点链允许物质对从不同位置产生并继续移动。某段电场下降时,查看相邻电荷怎样改变;若两处变化不符合 Gauss 定律,就不是这个模型的有效轨迹。物质对越过中间链段以后,电场的局域分布往往比平均值更能说明过程。

有限孤立系统保持总能量。电场能减少后,可以进入质量项和跃迁项的期望值;后者包含组态之间的相干贡献,不能只把画面上的粒子数乘质量就当作全部物质能。

曲线回升可能来自少数能级的相干振荡,也可能包含边界传播后的回返。要把某次回升称作有限体积回波,需要改变链长并比较同一局域区域,寻找边界相关的时间变化。两种链长的局域比较可以检验边界在这次回升中起了什么作用。

物质对数需要一个清楚的基准

半填充、总物质电荷为零时,偶数位置的粒子数等于奇数位置的空穴数。我们把偶数位置占据的总和称作相对于交错乘积参考的裸物质对数。它可以是非整数期望值。

初始交错乘积态不是打开跃迁后的真正相互作用真空。即使去掉外源,它也可能产生裸物质对。若要研究外源额外引起了多少变化,必须用同样的初态约定和 Hamilton 参数,再做一次无外源演化;两条曲线之差才是所选基准下的外源增量。

Npair(t)=∑n even⟨n^n(t)⟩,ΔNpair=Npairsources−Npairno sourcesN_{\mathrm{pair}}(t)=\sum_{n\ \mathrm{even}}\langle\hat n_n(t)\rangle,\qquad \Delta N_{\mathrm{pair}}=N_{\mathrm{pair}}^{\mathrm{sources}}-N_{\mathrm{pair}}^{\mathrm{no\ sources}}
第一项是裸对数,第二项是按指定无源淬火定义的差。局部屏蔽还要查看相应链上的电场和电荷分布。

随时间检查三个不会变的量

态的归一化必须保持一,总能量保持初值,每个 ⟨G^n2⟩\langle\hat G_n^2\rangle 保持零。检查平方而不只检查平均残差,是因为正负错误可以在平均值中抵消,平方却会把它们都留下。

这三项通过后,还要做下一章的截断和链长比较。一个不准确的有限模型也可以把自己的能量守恒得很好。守恒测试检查演化是否符合当前 Hamilton 量,收敛测试检查被删掉的自由度是否重要。

动手检验预测

从可手算的振荡走到较长的弦

  1. 把链设为四格点、电场截断为一、两端有固定源,质量0.25、电场耦合一、跃迁强度一。比较 t=π/2t=\pi/2 与 t=πt=\pi 附近的中间电场和裸对数。
  2. 在同一个两态设置中,展开“数值诊断与完整记录”,比较 t=π/4t=\pi/4 与完整转移附近的电荷关联;用实际采样时刻算出的物质对概率解释读数。
  3. 切回轻物质预设,找一段明显变暗的链,沿着相邻电荷解释它的变化。
  4. 比较重物质与冻结物质预设。一个压低转换幅度,另一个直接去掉跃迁;说明曲线为什么不同。

练习与解释性答案

  1. 两态例子里,为什么确定有一对电荷时,连通关联却是零?

    展开解释

    这时两点电荷分别固定为负一和正一,联合平均与两个平均值之积都为负一,相减为零。电荷对存在,但所选电荷不再涨落。

  2. 两态模型里 Δ=2\Delta=2、w=1w=1 时,物质对概率最多达到多少?

    展开解释

    振荡频率平方为 Ω2=4+4=8\Omega^2=4+4=8。概率前因子为 4/8=1/24/8=1/2,所以最大值是一半。失谐让初态不能完全转移。

  3. 某位置的 ⟨Gn⟩=0\langle G_n\rangle=0,但 ⟨Gn2⟩>0\langle G_n^2\rangle>0,说明什么?

    展开解释

    说明量子态或概率混合中包含局部 Gauss 违规组态,只是正负残差平均后抵消。一个真正位于零残差物理扇区的态,平方期望也必须为零。

来源与计算范围

  1. Sandbox Physics FR04 finite Hamiltonian, conventions and calculation scope

    明确课程使用的零起点交错电荷、开放边界、整数电通量硬截断、外源位置与人为错误跃迁。相邻的论文复算和数值验证文档列出独立检查的有限模型结果。这是本站模型定义与计算记录。

  2. E. A. Martinez et al., Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer, Nature 534, 516–519 (2016); arXiv:1605.04570v1 (15 May 2016)

    方法式 (3)、图 2a 和正文粒子密度定义固定四站点理想连续演化:电场能与跃迁强度之比为一,质量与跃迁强度之比为二分之一,边界场为零,初态为裸自旋真空。真空持续概率按正文定义计算,图 3 另有使用,但未复算其参数扫描。DOI:10.1038/nature18318。arXiv 页面标示永久非独占许可;本站不再分发原图、作者代码或实验数据。

  3. Sandbox Physics FR04 original numerical references and reproduction scripts

    benchmarks-browser.json 与 benchmarks-independent.json 分别保存两条独立路径算出的原始观测,benchmarks-summary.json 保存差异、数值环境、截断与有限尺寸检查。scripts/frontier/fr04/reproduce-benchmarks.mjs 和 independent-reference.py 可重新生成这些确定性模型记录,文件不含实验测量数据。

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