[论文解读] Nonequilibrium topological response under charge dephasing

Shuangyuan Lu, Lucas Q Silveira+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2026

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一句话总结

本论文研究在局部电荷去相干条件下，非平衡拓扑响应的 SPT 态如何导致 G 对称性的强到弱自发对称破缺，作为开系统中 SPT 拥有的指纹。

ABSTRACT

We explore nonequilibrium topological responses of symmetry-protected topological (SPT) states in open quantum systems subject to decoherence. For SPT wavefunctions protected by a product symmetry G $ imes$ S , where G defects are decorated with S charge, we show that local dephasing of the S charge density generically induces spontaneous strong-to-weak symmetry breaking (SWSSB) of G in the resulting mixed-state ensemble. We extend this mechanism to SPT phases protected by higher-form and spatially modulated symmetries, and further to gapless SPT states, demonstrating that dephasing-induced SWSSB persists well beyond conventional gapped 0-form settings. Our results provide a qualitative, channel-defined fingerprint of SPT order that is intrinsic to open-system dynamics and goes beyond equilibrium linear response.

研究动机与目标

• 将拓扑概念扩展到在去相干下的开放量子系统，并识别 SPT 波函数对局部噪声的响应。
• 证明去相干局部 S 电荷密度普遍会在混态集合中引起 G 的强到弱自发对称破缺。
• 将 SWSSB 机制扩展到高形式和空间调制对称性以及到无间隙的 SPT 状态。
• 提供混态 SPT 拥有的诊断方法，这些方法是超越平衡线性响应的开放系统动力学固有特征。

提出的方法

• 使用 Choi–Jamiołkowski 同构定义 SWSSB，将密度矩阵映射为双层态并用长程相关函数进行诊断。
• 分析衡量局部 S 电荷密度并对结果取平均的电荷去相干通道，用 Kraus 算符与参数 p 建模。
• 研究具体的一维 SPT 模型（ZXZ 聚簇模型和哈登链）以及在去相干下的二维 QSH 态，计算 Rényi-2 相关量和奇异相关量。
• 使用 DMRG 计算基态与混态相关量，并通过装饰域墙图像和字符串序参数来解释结果。
• 讨论信息论诊断手段，如条件互信息和混态负熵在 SWSSB 中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 局部电荷去相干是否会在结果的混态中引起 G 对称性的强到弱自发对称破缺？
• RQ2 SWSSB 是否能够作为高形式、空间调制对称性与无间隙 SPT 设置中开放系统诊断 SPT 拥有的持久性？
• RQ3 混态诊断如 Rényi-2 相关量、保真度相关量和奇异相关量在去相干下如何指示混态 SPT 拥有？
• RQ4 exhibiting SWSSB 的混态的纠缠结构（如负熵）及其与装饰域墙 SPT 图像的关系？
• RQ5 去相干通道如何将拓扑特征从一维扩展到二维 SPT 系统及更广范围？

主要发现

• 去相干局部 S 电荷密度普遍驱动具有 G×S 对称性且 S 缺陷被 G 电荷装饰的 SPT 波函数的 G 对称性强到弱自发对称破缺（SWSSB）。
• 混态 SWSSB 与混态 SPT 拥有（mSPT）并存，可通过 II 型奇异相关量和有限的长程 Rényi-2 相关性诊断。
• 在 SWSSB 相中条件互信息保持有限，表明非局部可恢复性与马尔可夫长度发散。
• 在 1D 的 ZXZ 和哈登链示例中，混态 SWSSB 相的纠缠负熵仍然非零，反映持续的量子相关性。
• 在如量子自旋霍尔态等二维示例中，部分电荷去相干在有限测量速率下也可诱发 SWSSB，而不必完全去相干。
• 该框架提供一种定性、通道定义的 SPT 拥有指纹，源于开系统动力学而非平衡线性响应。