反常属于对称性作用而非哈密顿量
论文的核心工作是一个定义。't Hooft反常通常通过场论引入:先写出一个作用量,再推导出规范对称性的障碍,或对重整化群流的约束。作者认为,这种做法掩盖了一个关键原则:反常是对称性作用方式的普遍属性,而不是某个具体格点哈密顿量或QFT作用量的特征。他们用舞台与戏剧作比:反常是舞台,系统的动力学是在这个舞台上上演的具体剧目。
为了让这一原则变得精确,他们把格点反常定义为对称性作用本身的拓扑不变量。这个定义不依赖场论或背景规范场,而是直接用对称性作用来表述,不涉及任何给定的哈密顿量。格点系统受控且数学上精确,正是这一点使这种处理成为可能,从而避开了QFT的技术困难。
这一重新定位决定了读者应如何理解后面的每一项结果。当论文说两个系统共享同一个格点反常时,它说的是对称性作用的等价类,而不是共享哈密顿量、共享基态或共享低能理论。
混合等价把对称性作用组织成群
为了对反常分类,作者需要一种判断两个对称性作用何时算作相同的标准。他们研究对称群G在格点系统局域代数上的表示,称为G-表示,并定义混合等价:如果两个G-表示可以跨越空间连续形变,且允许形变在格点左右两半不同、并在过渡区域衔接,那么二者等价。
堆叠,即取张量积,使d维空间中的格点反常类集合具有阿贝尔群结构,记作Anom_lattice^d(G)。逆元通过折叠论证存在:把空间的一半做反射,可将一个G-表示与其反射的张量积变为平凡表示。论文把混合等价的讨论限制在d ≥ 1,因为该构造在d = 0时没有意义。
作者将其与共轭等价作了比较,后者是较早的概念:量子元胞自动机V把一个G-表示共轭成另一个。共轭等价蕴含混合等价,但反向命题在一般情况下尚未建立:对于非紧群,例如G = Z,可以构造出与平凡表示混合等价的非内禀对称性。作者猜想,对有限群而言混合等价蕴含共轭等价,并指出d = 1的情形此前已在别处得到证明。
部分格点反常红外消失却仍非平凡
最重要的发现是一一对应关系的失效。存在一个从格点反常到QFT反常的映射:对于具有全局对称性的格点系统,应当能构造一个哈密顿量,其低能、长波有效理论是一个从格点对称性继承某种反常的QFT。论文对这个映射给出了更精确的刻画。
但这个映射不是单射。作者发现存在非平凡却红外平凡的格点反常:它们允许对称的平凡有能隙基态,并在低能下映射为平凡的QFT反常。换言之,格点反常可以是对称性作用的真实拓扑特征,却在低能场论中不留痕迹。这与格点反常和QFT反常一一对应的常见预期相矛盾。
这一结果对解读也有另一层含义。由于红外平凡的格点反常仍然约束对称哈密顿量,读者不能因为低能极限看起来没有反常,就断定该反常在物理上无关紧要。论文把这些类视为本身就有意义的研究对象,而不是应当被商掉的假象。
由对易模型构建的体边对应
d维QFT反常通过体边对应与d+1维的对称保护态相联系。论文表明,d维格点反常也有类似的对应,但体必须是(d+1)维对易模型的可逆相,而不是一般的能隙相。
在没有对称性的情形下,作者建立了一个三方同构:d维的格点引力反常、(d+1)维对易模型的可逆相,以及d+1维空间中的量子元胞自动机等价类,三者一致。证明通过这些群之间同态的交换图完成,其中一个映射来自对易模型的边界代数,另一个来自量子元胞自动机作用在平凡对易模型上。
引入对称性后,论文明确指出这一三方对应的朴素推广是错误的。要求量子元胞自动机在格点G-表示下对称,会把能出现在边界上的G-表示限制为具有共轭逆的那些,而它们都是内禀的。因此作者引入共轭反常和G-可逆对易相群作为合适的对象,并把修正后的对应作为猜想而非定理提出。
红外平凡反常仍约束MBL相与QCA
论文主张,格点反常,包括红外平凡的那些,本身就有物理后果。它把这些反常与对易投影模型、多体局域化系统的相以及量子元胞自动机联系起来。在这些场景中,反常对对称哈密顿量的约束无需经过低能QFT就能显现。
一个具体的联系是可逆对易模型的分类,作者表明它对应于格点反常的分类。对于不可逆对易模型,相关问题仍然开放。论文还指出,(d+1)维空间中的短程纠缠MBL相的分类一般同构于量子元胞自动机群对某个子群的商,该子群由能保持格点LIOM代数的量子元胞自动机组成;作者猜想这个子群在d ≥ 1时是平凡的,但没有给出证明。
作者明确说明了哪些工作尚未完成。他们报告了在格点反常分类以及刻画其对对称哈密顿量影响的理论工具方面的实质进展,但若干陈述,包括带对称性的体边对应,是以猜想形式给出的。至于不可逆对称性在格点上的普遍定义,即类比他们用QCA处理可逆对称性的做法,则被留作未来工作的必要第一步。
格点图像与QFT图像的分歧所在
对于比较这两套框架的读者,论文最有用的贡献是精确指出二者在哪里分歧。格点反常再现了QFT反常的许多预期性质,但格点反常的分类并不完全对应于QFT反常的分类。这一障碍不是日后可以补上的技术缺口,而是存在红外平凡的非平凡格点反常类。
这改变了读者应当提出的实际问题。不应只问一个对称性作用在低能QFT中是否降为非平凡反常,而应分别问:格点对称性作用是否反常,以及该反常是否在红外存活。论文的红外平凡类正是两个答案不同的情形,也正是对对易模型、MBL相和QCA的后果真正重要的情形。
作者还提醒,不要指望格点对称代数与对称拓扑场论一一对应,因为symTFT是一个不了解格点的QFT。他们的框架固定了对称群G,而只对对称代数的局域同构类分类,有时会让不同的对称群变得等价。因此论文确立的优先次序是:把格点反常作为首要对象,把QFT反常视为它可能有信息损失的像。
本文引用的文献
Anomalies of global symmetries on the lattice
论文把格点反常定义为对称性作用的拓扑不变量,并表明它们与QFT反常并非一一对应:非平凡的格点反常可以是红外平凡的,允许对称的平凡有能隙基态,并在低能下映射为平凡的QFT反常。
