[论文解读] Snowmass White Paper: New ideas for many-body quantum systems from string theory and black holes

Mike Blake, Yingfei Gu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Black Holes and Theoretical Physics被引用 5

一句话总结

本Snowmass白皮书综合了弦理论与黑洞物理的洞见，推动了强关联量子多体系统理解的进展。通过利用规范/引力对偶，作者探讨了量子混沌、流体动力学、量子纠缠及非平衡动力学中的普遍行为——揭示了全息黑洞与奇异金属、超导性及量子信息等现象之间的深刻联系，对凝聚态物理、核物理及量子计算具有重要意义。

ABSTRACT

During the last two decades many new insights into the dynamics of strongly coupled quantum many-body systems have been obtained using gauge/gravity duality, with black holes often playing a universal role. In this white paper we summarize the results obtained and offer some outlook for future developments, including the ongoing mutually beneficial feedback loop with the study of more general, not necessarily holographic, quantum many-body systems.

研究动机与目标

• 综合规范/引力对偶在强关联量子系统中的最新进展，特别是涉及黑洞作为普遍探针的系统。
• 弥合全息理论与更广泛的量子多体物理之间的洞见，涵盖凝聚态物理、超冷原子系统及量子信息。
• 识别量子混沌、量子纠缠及黑洞内部量子信息结构中的开放问题与未来研究方向。
• 探讨矩阵自由度与弦景观在实现涌现时空与引力中的作用。
• 突出引力物理与量子多体系统之间的相互反馈，特别是通过可解模型如SYK模型与张量网络。

提出的方法

• 利用规范/引力对偶，将强耦合量子场论映射为包含黑洞作为有限温度态的引力系统。
• 应用时间有序相关函数（OTOCs）探测全息系统中的量子混沌与信息 scrambling。
• 采用Ryu-Takayanagi公式与张量网络方法，研究全息系统与多体系统中的纠缠熵与量子复杂度。
• 分析SYK模型作为具有全息特征的可解强关联量子系统，包括非费米液体行为与最大混沌。
• 运用自举法与机器学习技术，探索矩阵量子力学的基态，其与涌现引力密切相关。
• 研究黑洞内部结构与N→∞极限下时间的涌现，以连接引力动力学与量子多体演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全息模型中，黑洞如何作为强关联量子多体动力学的普遍探针，特别是在奇异金属与超导体中？
• RQ2 作为OTOCs测量的量子混沌，在表征强关联系统中的热化与信息丢失中起什么作用？
• RQ3 如何利用量子信息概念（如纠缠熵与量子复杂度）来理解时空结构与黑洞内部的结构？
• RQ4 在大N量子系统中，矩阵自由度以何种方式导致半经典引力与涌现时空？
• RQ5 弦景观、超对称黑洞解与玻璃态多体系统中的能量景观之间存在何种联系？

主要发现

• 全息黑洞为描述强关联量子系统中的输运、超导性与奇异金属行为提供了普遍框架。
• 时间有序相关函数（OTOCs）揭示了量子混沌的普遍界限，其中与黑洞对应的系统表现出最大信息scrambling。
• Ryu-Takayanagi公式成功地将量子场论中的纠缠熵映射到体时空中的几何面积，从而为量子信息提供了新探针。
• SYK模型表现出非费米液体行为与最大量子混沌，使其成为全息量子物质的可解模型。
• 量子纠错与张量网络作为强大工具，用于描述全息体，尤其在纠缠与复杂度的背景下。
• 近期研究表明，黑洞内部时间的涌现与对偶量子多体系统在N→∞极限下的行为密切相关，暗示了量子动力学与时空演化之间存在深刻联系。