數(shù)學(xué)（理解對(duì)的話）擁有的不只是真理，也包含著至高的美，如同雕塑一般，一種冰冷和莊重的美。這種美，無(wú)須迎合我們天性的任何弱點(diǎn)，也沒(méi)有繪畫和音樂(lè)中的華麗裝飾，就可以純凈到崇高的境界，達(dá)到只有最偉大的藝術(shù)才能至步的完美境地。那種喜悅的真諦，衷心的歡樂(lè)，和超出人類的感受---這些臻境的標(biāo)準(zhǔn)---就像定會(huì)存于詩(shī)歌中一樣，在數(shù)學(xué)里得到見證。
羅素，《數(shù)學(xué)的研究》，1907
抽象的美與對(duì)稱性緊密相關(guān)，而物理的普適是與不變性分不開的。對(duì)稱性和不變性的刻畫離不了群的概念，從而群論成為數(shù)學(xué)和物理的重要工具。然而現(xiàn)代物理告訴我們，世界是量子化的。因此經(jīng)典的群概念只是量子對(duì)稱性和不變性一個(gè)很好的逼近。怎樣刻畫量子世界的對(duì)稱性和不變性及其更豐富多彩的現(xiàn)象成為一個(gè)重要而有趣的問(wèn)題。近年來(lái)各種各樣的量子群也涌現(xiàn)出來(lái)。量子群的一個(gè)應(yīng)用出現(xiàn)在拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)和拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究中。我們知道在拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)分類時(shí)，僅僅使用Landau的對(duì)稱群破缺是不夠的。模范疇 (modular tensor category) 和有限群在模范疇上的作用扮演著重要角色[1]。模范疇在物理里也被稱為任意子模型 (anyon model) 。
2018年5月，《中國(guó)科學(xué)》雜志社在遵義成功舉辦了物質(zhì)的拓?fù)鋺B(tài)論壇，我應(yīng)邀作了報(bào)告。在報(bào)告中，我講到把模范疇當(dāng)作阿貝爾有限群的量子推廣的想法。這個(gè)類比已經(jīng)催生了幾個(gè)好定理，包括有限群論中Cauchy和 Landau定理的量子版本[2]。《中國(guó)科學(xué)：數(shù)學(xué)》英文版2019年第3期剛剛發(fā)表了我們的最新研究論文'On generalized symmetries and structure of modular categories' [3], 崔星山，Modjtaba Shokrian Zini和我進(jìn)一步系統(tǒng)地發(fā)展了這個(gè)思路。
量子群從Drinfeld 1986年國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)報(bào)告興起。他把量子群定義為Hopf代數(shù)所對(duì)應(yīng)的“李群”。但現(xiàn)在數(shù)學(xué)家提到量子群基本上是指某種Hopf代數(shù)。我個(gè)人喜歡把Hopf代數(shù)的表示范疇當(dāng)作量子群，這其實(shí)更接近Drinfeld的原意。按我的想法，融合范疇 (fusion category) 是量子有限群，而模范疇是量子阿貝爾有限群。至少在這里，我將使用這兩個(gè)名詞。
有限單群的分類是數(shù)學(xué)史上的一個(gè)里程碑，那按我的類比，我們應(yīng)該做量子有限單群的分類。目前并沒(méi)有量子有限單群的定義。在我們的文章里，我們給了量子阿貝爾有限單群的一個(gè)定義?；谶@個(gè)定義，我們給出了量子阿貝爾有限群結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能框架。
我們的量子阿貝爾有限單群的定義源于對(duì)拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)對(duì)稱性的研究。拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)是包括拓?fù)浣^緣體和量子霍爾效應(yīng)電子液體的新的量子物質(zhì)形態(tài)。這是近年來(lái)物理中的一個(gè)重要發(fā)展方向。一個(gè)直接應(yīng)用是作為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的硬件（見下圖）。經(jīng)典晶體的分類是它們對(duì)稱群的分類，拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)本質(zhì)上屬于一種量子動(dòng)態(tài)晶體（見下圖），所以不難相信拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)的分類根本上是這種動(dòng)態(tài)量子對(duì)稱群的分類。
在二維空間拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)系統(tǒng)里，模范疇可以看成量子動(dòng)態(tài)對(duì)稱群的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。因此模范疇的分類基本就是二維內(nèi)蘊(yùn)（有長(zhǎng)程糾纏）拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)的分類。近來(lái)物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，有限群可以作用到內(nèi)蘊(yùn)拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)上成為它們的對(duì)稱性，從而引起很多可以觀察到的新現(xiàn)象：比如電荷分?jǐn)?shù)化，拓?fù)淙毕莺桶颜w對(duì)稱規(guī)范化成局部對(duì)稱。這套理論基礎(chǔ)是我和微軟的同事發(fā)展的[1]。我們的另一個(gè)目標(biāo)是要把這套理論推廣到量子群在拓?fù)湮镔|(zhì)形態(tài)的作用上。
我們用到的中心概念是已知的Linear Hopf Monad。我們把它作為模范疇上的對(duì)稱，從而同時(shí)推廣了有限群和范疇Hopf代數(shù)對(duì)稱。除了和量子對(duì)稱性的密切聯(lián)系外，我們的另一個(gè)目的是想通過(guò)Linear Hopf Monad來(lái)構(gòu)造一些在算子代數(shù)中猜想會(huì)出現(xiàn)的奇異模范疇，比如著名的Doubled Haagerup.
我們的文章僅僅是個(gè)開始，幾乎所有重要的想法還都是猜想。人類現(xiàn)在對(duì)量子世界的感知幾乎為零，描述量子對(duì)稱性的數(shù)學(xué)才剛剛起步。
論文信息
Cui S X, Zini M S, Wang Z. On generalized symmetries and structure of modular categories. Sci China Math, 2019, 62: 417--446, https://doi.org/10.1007/s11425-018-9455-5
https://link.springer.com/article/10.1007/s11425-018-9455-5
[1] Barkeshli M, Bonderson P, Cheng M and Wang Z. Symmetry, defects, and gauging of topological phases. ArXiv: 1410.4540, 2014.
[2] Bruillard P, Ng S H, Rowell E and Wang Z. Rank-finiteness formodular categories. J Amer Math Soc, 2016, 29(3): 857--881.
[3] Cui S X, Zini M S, Wang Z. On generalized symmetries and structure of modular categories. Sci China Math, 2019, 62: 417—446.
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