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3月24日，西湖大学理学院物理系严正课题组（量子多体计算实验室）与合作者在《Nature Communications》发表了题为“Sampling reduced density matrix to extract fine levels of entanglement spectrum and restore entanglement Hamiltonian”的研究论文。
通过结合量子蒙特卡洛（Quantum Monte Carlo）与严格对角化（Exact Diagonalization）的方法，研究团队发展了一套能够高效提取约化密度矩阵（Reduced Density Matrix）并重构纠缠哈密顿量（Entanglement Hamiltonian）算符形式的新算法。通过以极少计算代价对子系统约化密度矩阵进行抽样，从而提取整个量子多体系统的有效信息，起到了“一叶知秋”的作用。这一成果为研究复杂量子系统的纠缠性质提供了全新且高效的理论视角和计算工具。
西湖大学量子多体计算实验室访问学者、康复大学的毛斌斌博士为该工作第一作者，我校博士生丁一茗和博士后研究员王哲博士为第二、三作者，北京计算开云app官网下载安卓 中心的胡时杰博士和西湖大学特聘研究员严正博士为该工作通讯作者。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58058-0
量子纠缠是量子信息科学和凝聚态物理的核心概念之一，被广泛用于研究量子多体系统中的相变与临界现象、对称性破缺、拓扑序、共形场论等。近年来，纠缠谱（Entanglement Spectrum）作为一种比纠缠熵包含更多纠缠信息的物理量，在拓扑序及临界现象的研究中展现出重要价值。然而，现有数值方法（如，严格对角化、密度矩阵重正化群、张量网络方法等）在处理大尺度量子系统时受到计算复杂性和存储成本的限制，从而难以提取高维系统的纠缠谱或纠缠哈密顿量。而量子蒙特卡洛方法因其在大尺寸、高维度多体系统中的高效性和适用性，被用于量子纠缠的计算研究。但是，量子蒙特卡洛无法直接计算系统的波函数，通常只用于计算纠缠熵。量子蒙特卡洛结合解析延拓的方法也只能得到特定算符的低能纠缠谱函数。
本课题中，西湖大学严正团队与合作者提出了一种结合量子蒙特卡洛与严格对角化的创新算法，能够高效计算约化密度矩阵，进而计算纠缠谱的精细结构和重构纠缠哈密顿量的算符形式。这一方法极大的降低了计算和存储成本，具有很好的普适性，为研究复杂量子系统的纠缠性质提供了全新的计算框架，也改变了人们对量子蒙特卡洛方法的认知。
审稿人对此工作给与高度评价，认为该方法在处理大规模系统和复杂纠缠边界中具有独特优势，将极大地推动关于量子多体纠缠的研究。
上述工作得到国家高层次青年人才项目和西湖大学专项经费的支持，以及来自西湖大学高性能计算中心的计算支持。
西湖大学量子多体计算课题组
严正，1990年生，浙江绍兴人。2013年获大连理工大学学士学位，2019年获得复旦大学理论物理博士学位。2019年至2023年在香港大学工作，历任博士后研究员和研究助理教授。2023年全职加入西湖大学，组建量子多体计算实验室，同年获得国家高层次青年人才项目资助。
课题组主要开展量子多体理论和数值计算方向的研究，以及与之相关的量子模拟/计算、量子材料交叉学科研究，比如：
1. 量子阻挫磁性: 自旋液体、新奇物相、临界行为等；
2. 量子模拟，冷原子阵列，量子绝热计算等；
3. 受限多体系统和晶格规范场，如量子dimer/loop模型等；
4. 量子多体纠缠，如纠缠熵、纠缠谱的行为；
5. 发展新的量子多体算法。
除了上述方向之外，课题组也乐意积极拓展量子多体相关的交叉学科。欢迎对多体计算感兴趣的小伙伴们加入！
课题组网站：Yan's group (https://zheng-yan-group.github.io/)