Inconsistency of Islands in Theories with Long-Range Gravity?

想要讨论的问题是:island 和 entanglement wedge reconstruction。

我们可以先回忆一下在AdS/CFT里entanglement wedge 或者更一般的bulk reconstruction的含义。我们可以考虑一个广义上的AdS/CFT的对偶:一个CFT的真空关联函数(定义在S^d 或者 S^d\times S^1) 等于一个高一维的有效渐进AdS的引力理论的路劲积分。
bulk 里面场 通过extrapolate relation与 boundary的算符联系起来

\lim_{r\rightarrow \infty}r^{\Delta}\phi =\mathcal{O}

bulk reconstruction 是指:怎样在CFT里定义一些算符来描述bulk里面的local field,形式化的可以理解为寻找一个这样的等式

\phi=\int_{bdy} \mathcal{O}

最简单的bulk local field是 AdS真空里面的free field,他的reconstruction也很直接。我们可以在AdS里面求解 \phi的运动方程从而得到他的propagator,然后利用boundary-bulk propagator 可以写下

\phi(x)= \int_{s_x} dX K(x;X) \mathcal{O} (X)

这里K(x;X)称为smear function。这个表达式关键是积分区域s_x, 他是边界上所有与x spacelike separated的点几何。如果我们取一个x的Cauchy surface,就会在这个slice上所有边界的点都会包括在内。

从量子信息的角度来想的话,可以认为边界的operator是我们的物理qubit,bulk的场是我们想描述的逻辑bit。这样看来,AdS/CFT 看起来不是一个很有效的编码。

其实有一个更好的方案:subregion duality 或者说是subregion reconstruction。想法就是,可以做一个变化到Rindler 坐标,在这个坐标里bulk 的场方程还是well-defined从而还是可以求出一个对应的propagtor,而Rindler patch 相比之前的构造会小很多。比如同样选一个Cauchy surface,会发现所需要的积分区域只占边界的一部分,而且可以通过选取不同的Rindler patch来人为调控所需要的边界区域。

但是这似乎会产生一个矛盾:边界上是一个没有引力的场论,所以我们期待他的Hilbert space是可以factorized。在选好一个Cauchy slice 之后,每一个连续的区域都对应了一个由operator 产生的封闭的代数。来自不同区域对应的代数的算符应该是对易的。这样的话,当我们选完一个patch 里的代数来重构bulk的场之后,这个场就会与patch之外的代数对易。通过选取不同的Rindler patch可以使bulk 场与所有边界的代数对易,结论就是bulk 场只能是trivial 的单位算符。

或者更直接的去问,一个local 的bulk 算符,他的信息究竟是localize 在边界的那一个部分?

回答这个问题,也就是回答了AdS/CFT的编码性质。首先我们要注意,这个puzzle只是针对与真空附近的operator 的重构,我们假设bulk 里没有黑洞。这就引入了code subspace的概念。真空附近的激发只构成了整个Hilbert 空间的一个subspace,在这个subspace里的编码是一种自纠错编码形式:即物理qubit要比逻辑qubit 要多,从而当我们丢失的物理qubit不是很多的时候,还可以读取信息。

那么自然的问题是,code subpace之外的state 对应了什么?我们认为是对应了黑洞的微观态。当我们尝试在bulk里放入更多的信息超出code subspace的编码能力的时候,黑洞就会产生。

另一个自然的问题是,给定一段边界区域,这个区域对应的algebra可以构造的bulk field 的范围,也就是边界的subregion是怎样与bulk的subregion对应到。我们认为是对应了bulk里的entanglement wedge,可能一个直接的证据是RT formula。

另外一个微妙的地方是,如果重构bulk里面带有规范电荷的算符。只有规范不变的算符才是物理的,通常的做法是在这个算符上连接一个通往无穷远的wilson line。这样,我们才能严格意义地在一个subregion 里来重构这个算符。这个构造依赖entanglement wedge 的边界包涵一段asymptotic boundary。

下面我们考虑island的情况。这里我们广义的定义island 为 不包含asymptotic boundary的 entanglement wedge。或者说一个被他的compliment 包围的entanglement wedge。通过island formula的公式
S( R )= \frac{A(\partial I)}{4G}+S_{bulk}(R\cup I)
我们可以合理的推测,Island是可以通过subregion来重构的。注意这里并不是AdS/CFT,我们是把AdS引力couple 一个无引力的bath,然后R是bath的一个subregion。这里我们再用一个假设就是,R的compliment 对应了 island 的compliment,即island compliment的state可以有R的compliment的重构。

假设我们在island 插入一个算符来产生一个激发,这个算符是在Island 里也就是在R里,所以他应该和R的compliment的算符也就是Island 的compliment的算符对易。但是island compliment的算符包括了AdS边界的能动量张量,还有Hamiltonian,根据引力个Gauss law,之前的插入算符应该与Hamiltonian是不对易的,因为这个能量的变化是可测的。这就产生了一个矛盾:在bath里看他们应该是对易的,但是引力的Gauss law 说no。注意这里考虑激发还是在code subspace 里面。

一个解决方案是,island 只能出现在massive gravity里面,在massive gravity里Gauss law不存在了,也就没有了这个问题,而massive gravity也似乎可以理解:当我们couple 引力到bath的时候,因为选取了透明的边界条件,能动量张量不再守恒,导致了能动量张量有了anomouly,导致了引力子获得了质量。

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