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强关联与非平衡 III · 本征态热化:相位散开以后,还缺少哪一步?

先修:量子临界、密度矩阵、量子统计。本讲先精确计算有限系统的时间平均,再说明 ETH 为多体局部观测补上什么。实验不模拟热库,也不把三个能级当成宏观材料。

孤立纯态一直幺正演化,温度从哪里来?

1. 把“变得平稳”与“变成热态”分开

把初态写成能量本征态的叠加 \(|\psi(0)\rangle=\sum_n c_n|n\rangle\),\(H|n\rangle=E_n|n\rangle\)。时间演化只给每项乘相位,整体的纯度始终为 1。对于可观测量 \(A\),

\[ \langle A(\tau)\rangle=\sum_{mn}c_m^*c_n A_{mn} e^{i(E_m-E_n)\tau/\hbar}. \]

对角项不动,非对角项以不同频率旋转。许多频率相消时,少数观测量可以看起来平稳;这没有把全态真的变成混合态。若只测一个小子系统,其约化态还可能因与其余部分纠缠而变得混合,必须说明观察的是哪一层。

若能量无简并,对无限长时间取平均,非对角指数的平均为零,得到对角系综 \(\rho_{\rm diag}=\sum_n|c_n|^2|n\rangle\langle n|\)。这是时间平均的表达,不是某一时刻全态的实际密度矩阵。若有能量简并,应保留简并子空间中的相干项。

2. 有限时间平均留下可算的误差

令 \(\omega=(E_m-E_n)/\hbar\)。直接积分而非假设相位随机:

\[ \frac1T\int_0^Te^{i\omega\tau}d\tau =e^{i\omega T/2}\frac{\sin(\omega T/2)}{\omega T/2}. \]

当 \(|\omega|T\gg1\) 时该项受抑制;接近简并的能级需要更长观察窗。因而“平均已经收敛”必须和最小相关频差比较。时间平均是一种滤波,不要求每个瞬时值都接近平均。

取正参考能量 \(E_{\rm ref}>0\),三个能级 \(E/E_{\rm ref}=(0,1,\alpha)\),时间以 \(\hbar/E_{\rm ref}\) 为单位。初态的实振幅是 \((\sqrt{(1-p)/2},\sqrt p,\sqrt{(1-p)/2})\)。测投影算符 \(A=|s\rangle\langle s|\),其中 \(|s\rangle=(1,1,1)/\sqrt3\),则

\[ A(\tau)=\frac13\left|\sum_{n=0}^2\sqrt{p_n}e^{-i e_n\tau}\right|^2 =\frac13+\frac23\sum_{m<n}\sqrt{p_mp_n}\cos[(e_m-e_n)\tau]. \]

每个 \(A_{nn}=1/3\),所以长时平均总是 \(1/3\),与权重无关。这是特意选择的投影,不是三个能级满足了 ETH。换一个对角元不相同的观测量,时间平均马上会记住初态权重。

三根不同能量的相位箭头在时间中旋转;观测量含两两相位差,时间平均抑制非零频率但保留能量对角权重。

相位抵消改变的是给定观测量的干涉贡献。图中没有耗散步骤,也没有将纯态替换为真实混合态。

3. 先看一次确切的复现

先预测:时间平均等于 \(1/3\) 后,瞬时观测还会不会重新接近初值?若频率比是整数,这个问题可以精确回答。

调整初态权重、第三能级与观察窗,比较瞬时投影概率、有限时间平均和对角系综值。

默认静态核对:\(p=1/2,\alpha=2\),观察窗 \(T=4(2\pi)=8\pi\)。所有余弦在完整周期上平均为零,所以平均恰为 \(1/3\);但窗末三个相位完全重合,\(A(T)=A(0)=(1+1/\sqrt2)^2/3\approx0.971405\)。平均趋稳与瞬时复现可以同时发生。

改变 \(\alpha\) 后,共同周期可能变长;一般有限离散谱仍允许近似复现。曲线不会因为画得很密就产生不可逆性。实验的横轴终点是观察时间,不是系统大小;增加这个终点不能替代热力学极限。

粗粒化前后的纯度可以直接核算。默认权重 \((1/4,1/2,1/4)\) 给出 \(\operatorname{Tr}\rho_{\rm diag}^2=3/8\),而任意时刻 \(\operatorname{Tr}\rho(\tau)^2=1\)。二者不同,是因为先平均密度矩阵再平方,与先平方再平均不是同一个操作。丢掉可分辨相位需要说明测量时间分辨率或观测限制;不能把人为删除矩阵元描述为系统真的经历了环境退相干。这个检查尤其适合审读只展示时间平均熵的数值研究。

4. ETH 真正添加的是本征态结构

对非可积多体系统的一类少体、局部观测量,常用 ETH 形式为

\[ A_{mn}=A_{\rm th}(\bar E)\delta_{mn} +e^{-S(\bar E)/2}f_A(\bar E,\omega)R_{mn}, \]

其中 \(\bar E=(E_m+E_n)/2\),\(S\) 是微正则熵(此式取 \(k_B=1\)),\(R\) 概括随能级变化的涨落结构。它是有关本征态矩阵元的假设与适用框架,不是每一个 Hamiltonian 的定理;\(R\) 也不能在一份确定模型中随意重新抽样。

关键的对角陈述是:窄能量窗内 \(A_{nn}\) 接近只由能量决定的平滑函数。若初态能量分布足够窄,将 \(A_{\rm th}(E_n)\) 在平均能量处展开,线性项加权后抵消,首个修正约为 \(A_{\rm th}''(\bar E)\operatorname{Var}(E)/2\)。于是对角平均近似热平均,不再敏感于每个 \(|c_n|^2\) 的细节。

非对角项则关系到弛豫、响应与时间涨落。对无简并能隙的情形,长时涨落包含 \(\sum_{m\ne n}|c_m|^2|c_n|^2|A_{mn}|^2\);小非对角元有助于大多数时刻接近平均。但能隙共振或特定初态可让这一步失效。热化需要这些环节共同成立,不是“相位一散开就出现 Gibbs 分布”。

能级不简并,能隙却可能共振:把漏项算出来

默认 \(p=1/2,\alpha=2\) 的能级0、1、2彼此不同,但两条相邻能差都等于1。投影概率可合并成

\[A(\tau)=\frac13+\frac{\sqrt2}{3}\cos\tau +\frac16\cos2\tau.\]

因此在整数个 \(2\pi\) 周期上,瞬时值相对平均的平方涨落为

\[\overline{(A-1/3)^2} =\frac12\left(\frac29+\frac1{36}\right) =\frac18.\]

若错误地套用“无简并能隙”的公式,把三对矩阵元各自平方后相加,却得到

\[\begin{aligned} &\sum_{m\ne n}p_mp_n|A_{mn}|^2\\ &\quad=\frac{2}{9}\left(\frac18+\frac18+\frac1{16}\right) =\frac5{72}. \end{aligned}\]

两个答案不同,因为同频的两项必须先合并振幅,再平方;它们之间的交叉项不会被时间平均消去。这里 \(1/8=9/72\),恰多出 \(4/72\)。

所以“能量没有简并”足以删掉无限时间平均中的非对角项,却不足以删掉涨落平方中的全部交叉项。若把α轻微移离2,相关拍频是 \(|\alpha-2|\);有限观察窗还需远长于它的倒数,才可能分辨这两条频率。是否达到长时极限,要针对正在平均的量分别判断。

5. 哪些反例迫使我们保留条件

可积系统有许多独立守恒量,仅固定能量一般不足以描述稳态,需要讨论广义 Gibbs 系综。多体局域化的适用范围还牵涉无序、相互作用、维度与有限时间外推,不能凭慢弛豫曲线直接鉴定。

另一条研究窗口是量子多体疤痕:少量特殊本征态或特殊初态轨道可能在非可积背景中产生异常复现。Turner 等 2017 年首发、2018 年修订的理论研究分析了受约束自旋链中的这种结构。它不表示所有初态都避免热化,也不将一切实验振荡都归因于疤痕。

面向数据的检查顺序应是:先分对称性扇区,排除普通守恒量和简并;再比较不同初态、尺寸与观测量;最后研究矩阵元随能量和系统熵的缩放。把不同扇区混合的能级统计当成混沌证据会出错,有限窗内衰减也无法证明任意长时间的热化。

下一讲增加环境与驱动后,密度矩阵自身可以真正失去纯度。那时需要研究生成元的固定点,不能继续把一切稳态都解释成封闭系统的对角系综。

6. 两道迁移题

题 1。 把实验的观测量换成 \(B=|0\rangle\langle0|\)。其期望和时间平均是什么?

核对题 1

\(B\) 与 Hamiltonian 对易,始终为 \(p_0=(1-p)/2\),无需等待退相位。它保留了初态权重,因此原投影得到 \(1/3\) 不能证明所有观测量都热化。

题 2。 一个能差为 \(10^{-4}E_{\rm ref}\) 的相干项,在无量纲观察窗 \(T=100\) 内会充分平均掉吗?

核对题 2

不会。\(|\omega|T=0.01\),积分中的 sinc 因子接近 1。必须达到远大于 \(10^4\hbar/E_{\rm ref}\) 的时间才可能强烈抑制该项;这仍不保证其他热化条件成立。

速查与原始阅读

退相位给时间平均,ETH 把窄能量窗中的本征态观测联系到热值。整体幺正、子系统混合、有限窗平均与热力学极限是不同对象。

来源核查:2026-09-08。下一讲:驱动开放系统。