数值演示 · Nature Communications 2026

黎曼猜想:一个只发生在 β=1/2 的相变

The Riemann Hypothesis manifested in dynamical quantum phase transitions
四个动画实验,把 RH "非平凡零点 ≡ 动力学相变" 变成看得见的东西
一句话核心:黎曼猜想(RH)等价于——某个量子多体系统只在逆温度 β=1/2 处发生一次动力学相变,别处都不相变。 零点的位置,就是探针相干与 Loschmidt 回波"消失—复兴"的时刻。

物理装置:把 ζ 函数"焊"进一个量子系统

构造对数能谱系统 H₀ = Σ ln n |n⟩⟨n|。热态权重 e^(−β ln n) = n^(−β),时间演化相位 e^(−i t ln n) = n^(−it),配分函数 Z(β)=Σn^(−β)。复参数 s=β+it 由此自然出现——ζ 函数被整体装进了这个系统的动力学。

β 扫描:相变点唯一

探针自旋的平均累积相位因子 L(β,t)=Σ(−1)^(n+1)n^(−(β+it))/Z(β)。当 β=0.5,|L| 出现"消失—复兴"振荡,相干性在 t=14.13、21.02、25.01、30.43、32.94… 处精确归零——正是 ζ 的前五个非平凡零点,复平面轨迹同时穿过原点。β 一偏开 1/2,零点立刻消失。第三个面板固定 t=γ1 扫 β,只有 β=1/2 一个深谷。

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▲ 平均累积相位因子 |L(β,t)|:临界线 β=1/2 上的"消失—复兴"= ζ 的非平凡零点

N 增长:量子系统"算出"零点

真实系统能级有限(核磁实验 N=16=2⁵ 量子比特)。让 N 从 16 长到 3000:截断和 S_N 的零点越来越深、越来越准,右下角前五个估计零点像被磁铁吸住,逼近精确零点 γ1…γ5,平均偏差从 ~0.05 收敛到 ~0.014。

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▲ 截断和 S_N(1/2+it) 随能级数 N 增长,零点收敛到精确的非平凡零点

自由能景观:临界山脊

动力学自由能密度 F1(β,t)=−lim(1/d)ln|L(β,t)| 的三维曲面绕轴旋转:金色山脊沿 β=1/2 升起,顶点全是 ζ 零点;β=1 处玫红色的"奇异墙"来自 η 因子 1−2^(1−s) 的零点。整幅画面只有一条临界线。

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▲ 动力学自由能密度 F1(β,t):临界线 β=1/2(金色)与 β=1(玫红)上的奇异性

Loschmidt 回波:第二个独立验证

互补系统:Loschmidt 振幅 G(1/2,t)∝Z(t)=e^(iθ(t))ζ(1/2+it),θ 是 Riemann–Siegel 相位。Hardy Z 来回振荡,每越过一个零点,回波 B(t)=|G|² 塌缩约 60 分贝——动力学量子相变(DQPT)原形毕露。该系统只用 N=⌈√(t/2π)⌉ 项即可捕捉零点,正是论文数值延展到第 10¹² 个零点的依据。金色探针扫过九个零点,标注逐个点亮。

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▲ Hardy Z 函数(上)与 Loschmidt 回波(下):回波塌缩于 ζ 的非平凡零点

意义

这套对应给了黎曼猜想一个物理起源:非平凡零点就是混合态 DQPT 的临界时间,熵密度在零点处非对称跳变,信息流反向(去相干 → 部分重相干)。反过来,RH 预言了一类全新的、由 ζ 函数支配的相变机制。把热态制备与演化算符编译成量子线路只需多项式资源,验证零点的复杂度为 |t|^(1/4),相对经典 Riemann–Siegel 求值的 |t|^(1/2),实现至少二次加速。数论里最顽固的问题,第一次站上了可操作、可检验的量子舞台。

G(1/2,t) ∝ Σ n^(−1/2) cos(θ(t) − t ln n) → Z(t)/2Z(1/2) (Riemann–Siegel 主项)
L(β,t) = Σ (−1)^(n+1) n^(−(β+it)) / Z(β) → η(β+it)/Z(β) = (1−2^(1−s))ζ(s)/Z(β)