作者:赖斯大学的杰德·博伊德 王-哈扎德交换性图捕捉了物理学家通常用来描述量子系统中能量的数学函数的微观细节，将量子速度极限的计算简化为只有两个输入的方程
学分:王志远/莱斯大学 大自然的速度限制并没有张贴在路标上，但是莱斯大学的物理学家发现了一种新的方法来推断它们，这种方法比以前的方法更好——在某些情况下要好得多
“最大的问题是，‘任何东西——信息、质量、能量——在自然界的移动速度能有多快？’赖斯的理论量子物理学家卡登·哈扎德说
“事实证明，如果有人递给你一份材料，一般来说，回答这个问题是非常困难的
" 在今天发表在美国物理学会杂志《PRX量子》上的一项研究中，哈扎德和赖斯的研究生王志远描述了一种计算量子物质速度极限上限的新方法
物理学和天文学助理教授、莱斯量子材料中心成员哈扎德说:“从根本上说，这些界限比以前更好。”
“这种方法经常产生精确10倍的界限，而精确100倍的界限并不罕见
在某些情况下，这种改进是如此引人注目，以至于我们发现有限的速度限制，而以前的方法预测的是无限的速度限制
" 自然界的极限速度是光速，但在我们周围几乎所有的物质中，能量和信息的速度要慢得多
通常，如果不考虑量子效应的巨大作用，就不可能描述这个速度
在20世纪70年代，物理学家证明了信息在量子材料中的运动速度必须比光速慢得多，尽管他们无法计算出速度的精确解，但物理学家埃利奥特·李伯和德里克·罗宾逊开创了计算这些速度上限的数学方法
哈扎德说:“这个想法是，即使我不能告诉你确切的最高速度，我能告诉你最高速度必须小于一个特定的值吗？”
“如果我能100%保证真实值小于上限，那将非常有用
" 哈扎德说，物理学家早就知道，李伯-罗宾逊方法产生的一些界限“荒谬地不精确”
" “它可能会说，当真实速度测量为0时，信息在材料中的移动速度必须小于100英里/小时
01英里每小时，”他说
“这没有错，但没有太大帮助
" 在量子论文中描述的更精确的界限是通过王创造的方法计算出来的
“我们发明了一种新的图形工具，让我们能够解释材料中的微观相互作用，而不是仅仅依靠更粗糙的属性，如晶格结构，”王说
哈扎德说，王，一个三年级的研究生，在综合数学关系和用新的术语改写数学关系方面有着惊人的天赋
哈扎德说:“当我检查他的计算时，我可以一步一步地进行，反复计算，看看它们是否有效。”
“但要真正弄清楚如何从A点到B点，当每一步都有无数种你可以尝试的东西时，该采取什么样的步骤，创造力对我来说太神奇了
" 王-哈扎德方法可以应用于由在离散晶格中运动的粒子组成的任何材料
这包括经常研究的量子材料，如高温超导体、拓扑材料、重费米子等
在每一种情况下，材料的行为都源于数十亿个粒子的相互作用，其复杂性无法直接计算
哈扎德说，他希望这种新方法能在几个方面得到应用
“除了这一基本性质之外，它可能有助于理解量子计算机的性能，特别是理解它们需要多长时间来解决材料和化学中的重要问题，”他说
哈扎德说，他确信这种方法也将用于开发数值算法，因为王已经证明，这种方法可以对常用的近似大系统行为的数值技术所产生的误差设定严格的界限
物理学家使用了60多年的一种流行技术是用一个可以被计算机模拟的小系统来近似一个大系统
哈扎德说:“我们在一个有限的块周围画一个小盒子，模拟它，希望这足以近似这个巨大的系统。”
“但是没有一种严格的方法来限制这些近似值中的误差
" 王-哈扎德计算边界的方法可能会导致这种情况
“数字算法的误差和信息传播的速度之间有着内在的联系，”王解释说，他用自己的声音和房间的墙壁来说明这种联系
“有限的块有边缘，就像我的房间有墙一样
当我说话的时候，声音会被墙壁反射回来，并回传给我
在无限系统中，没有边，所以没有回声
" 在数值算法中，误差在数学上等同于回声
它们从有限盒子的边缘反射回来，这种反射破坏了算法模拟无限情况的能力
信息在有限系统中移动得越快，算法忠实地表示无限的时间就越短
哈扎德说，他、王和他的研究小组中的其他人正在使用他们的方法来设计具有保证误差条的数值算法
“我们甚至不需要改变现有的算法来对计算设置严格的、有保证的误差线，”他说
“但你也可以把它翻转过来，用它来制作更好的数值算法
我们正在探索，其他人也对使用这些感兴趣
"
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