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Sandbox Physics
张量网络 · 边学边做实验

L3 · 第 5 章

来回扫描求基态,再判断该不该信

DMRG 固定其余张量,只动相邻两个:解一个小本征值问题找出最好的一对,再用截断分解拆回去,然后往前挪一格。走到链尾再走回来,叫一次扫描。每次更新只会让能量下降或不变,所以能量会稳定下来。稳定在哪里,是不是基态,要另找证据:能量方差、和精确极限比较,以及真正基态必须具备的对称性。

变分搜索,每次两个格点

任何归一化试探态的能量都不低于基态能。DMRG 在给定键维数的矩阵乘积态里,找能量最低的那个。一次优化所有张量是个困难的非线性问题,所以 DMRG 固定其余部分,只改进相邻的一对张量。

其余张量固定并保持正交归一时,这一对的能量是其元素的二次型。最好的一对就是一个小有效哈密顿量的最低本征矢,几步 Lanczos 迭代就能求出。再用截断奇异值分解把它拆回两个张量,最多保留允许数目的 Schmidt 项,然后窗口往前挪一格。Schollwöck 综述第 6.3 节描述的就是这种迭代搜索。

Heff[j,j+1] Θ=E Θ,Θ≈U diag(s1,…,sχ) V†H_{\rm eff}^{[j,j+1]}\,\Theta=E\,\Theta,\qquad \Theta\approx U\,\mathrm{diag}(s_1,\dots,s_\chi)\,V^{\dagger}

三个诊断量,各自看不到什么

第一个诊断量是能量。32 个自旋的临界 Ising 链,每条连接至多 16 个态,与自由费米子精确能量相比,误差在第一次扫描后是 0.035,接着降到 0.0012、百万分之七、十亿分之八,从第五次扫描起稳定在百亿分之二左右。能量稳定,只说明搜索停了,不说明找到的是基态。

第二个是能量方差。精确本征态的方差为零;方差小,就保证在测得的能量附近有一个本征值。Schollwöck 在第 6.4 节推荐用它,因为它不依赖双格点的具体做法。第三个是每次截断舍弃的权重。键维数增大时,这两个量都会变小。同一条链如果每条连接只留 4 个态,能量误差停在千分之一,方差是 0.0038。

σE2=⟨H2⟩−⟨H⟩2,∃ En: ∣En−⟨H⟩∣≤σE\sigma_E^2=\langle H^2\rangle-\langle H\rangle^2,\qquad \exists\,E_n:\ |E_n-\langle H\rangle|\le\sigma_E

完整例题

用 Bethe 拟设检验 Heisenberg 链

Karbach、Hu 和 Müller 的式 (13) 给出 Hulthén 求得的无穷长 Heisenberg 反铁磁链基态能:每条键四分之一减去 2 的自然对数,以耦合常数为单位约为负 0.443147。开放链不能直接拿来比,因为两端要多付能量:32 个自旋的链,每条键的能量是负 0.4515。

改为取差。多加 16 个自旋,就多出 16 条体内的键,两端却没变,端点的能量正好消掉。对 16、32、48、64 个自旋分别跑 DMRG,每次的能量方差都在百万分之一左右或更小。每多一条键的能量依次是负 0.442849、负 0.443040、负 0.443092,与 Bethe 值的差从 0.00030 降到 0.00011 再到 0.00006。同一套 DMRG 程序算 16 个自旋的链,和精确对角化只差十亿分之二。

E(L2)−E(L1)L2−L1 ⟶ (14−ln⁡2)J≈−0.443147 J\frac{E(L_2)-E(L_1)}{L_2-L_1}\ \longrightarrow\ \Big(\tfrac14-\ln2\Big)J\approx-0.443147\,J

方差极小,态却不对

把横场降到 0.7,进入有序相。这时有两个能量极其接近的态:两种有序排列的偶组合和奇组合。有限长链的精确基态是其中之一,自旋翻转宇称有确定的值。键维数 16 的 DMRG 给出的态方差不到十亿分之二,能量却高了百万分之 5.6,宇称是 0.002,而不是一个确定值。

方差尽了它的本分:它保证了附近有本征值,却说不出是哪一个。两个态几乎简并时,它们的混合方差也很小。对称破缺的态存起来也更省:第二章的猫态已经表明,偶组合或奇组合在每处切口都要多出 2 的对数那么多纠缠。只有对称性检查能把它揪出来。在临界链上,同样的检查读出的宇称是 1.000。

读一读它找到的纠缠

最后一次扫描结束后,每处切口的 Schmidt 权重都是现成的。临界 Ising 链的纠缠熵曲线符合 Calabrese–Cardy 给出的开放链形式。用 32 个自旋的 DMRG 结果拟合中心荷,得到 0.523992,与用精确自由费米子曲线拟合的结果相差不到千万分之一。它不等于二分之一,是因为 32 个自旋还太短;第二章已经看到,链越长,精确拟合值越接近二分之一。

cDMRG(L=32)=0.523992,cDMRG−cexact≈−9×10−8c_{\rm DMRG}(L=32)=0.523992,\qquad c_{\rm DMRG}-c_{\rm exact}\approx-9\times10^{-8}

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 打开 DMRG 实验,选临界 Ising 链。先预测:能量误差在第几次扫描后不再下降?
  2. 换成有序相预设,打开诊断信息。
  3. 解释为什么方差极小,能量却仍高于精确值;哪个诊断量暴露了问题?

这些实验模拟开放边界的自旋 1/2 链,能量以耦合常数为单位,时间以约化普朗克常数除以耦合常数为单位。每个实验在模型说明里写明模型和适用范围,并可导出读数背后的数据。

试着自己解释

1. 临界链第一次扫描后方差是 0.05。离测得能量最近的本征值,最远可能在多远处?

展开答案与解释

在一个标准差之内,即方差的平方根,约 0.22。这个保证很弱;只有方差变小以后,它才真正有用。

σE=0.05≈0.22\sigma_E=\sqrt{0.05}\approx0.22

2. 32 个自旋的开放 Heisenberg 链,把总能量除以 31 条键,为什么得不到 Bethe 拟设值?

展开答案与解释

靠近两端的键和体内的键不一样。除以键数时,端点多出的能量摊到了所有键上,只按链长的倒数减小。取两种链长的差,就能把它消掉。

3. 在有序相,单靠加大键维数能把宇称纠正过来吗?

展开答案与解释

不一定。对称破缺的态纠缠更少、能量又几乎一样,扫描可能一直停在那里。Schollwöck 在第 2 节介绍了标准做法:把对称性直接做进张量里,让扫描能到达的每个态都有确定的宇称。

可以放在旁边读的来源

  1. U. Schollwöck, The density-matrix renormalization group in the age of matrix product states, Annals of Physics 326, 96 (2011)

    这一领域的标准综述。第 3 节用面积律解释 DMRG 为什么在一维好用;第 4.1 节用一次次奇异值分解搭出矩阵乘积态,并在式 (58) 给出截断误差的上界;第 6 节把基态搜索写成变分扫描;第 7 节讲时间演化和它的极限。

  2. P. Calabrese and J. Cardy, Entanglement entropy and quantum field theory, Journal of Statistical Mechanics P06002 (2004)

    推导一维临界系统的纠缠熵。式 (2) 给出开放链上的纠缠熵曲线,系数是中心荷的六分之一。

  3. M. Karbach, K. Hu and G. Müller, Introduction to the Bethe ansatz II, Computers in Physics 12, 565 (1998)

    自旋 1/2 Heisenberg 反铁磁链 Bethe 拟设的入门讲解。式 (13) 给出 Hulthén 求得的无穷长链基态能量:以耦合常数为单位,每条键是四分之一减去 2 的自然对数。

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