<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.2 20190208//EN" "JATS-journalpublishing-oasis-article1-mathml3.dtd">
<article article-type="research-article" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:oasis="http://www.niso.org/standards/z39-96/ns/oasis-exchange/table"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">PRL</journal-id><journal-id journal-id-type="coden">PRLTAO</journal-id><journal-title-group><journal-title>Physical Review Letters</journal-title><abbrev-journal-title>Phys. Rev. Lett.</abbrev-journal-title></journal-title-group><issn pub-type="ppub">0031-9007</issn><issn pub-type="epub">1079-7114</issn><publisher><publisher-name>American Physical Society</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.125.041601</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>LETTERS</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Elementary Particles and Fields</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Bootstrapping Matrix Quantum Mechanics</article-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><name><surname>Han</surname><given-names>Xizhi</given-names></name><name-alternatives><string-name name-style="eastern" xml:lang="cn">韩希之</string-name></name-alternatives><xref ref-type="aff" rid="a1"/></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Hartnoll</surname><given-names>Sean A.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"/></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0001-6624-9958</contrib-id><name><surname>Kruthoff</surname><given-names>Jorrit</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"/></contrib><aff id="a1">Department of Physics, <institution>Stanford University</institution>, Stanford, California 94305-4060, USA</aff></contrib-group><pub-date iso-8601-date="2020-07-22" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>22</day><month>July</month><year>2020</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2020-07-24" date-type="pub" publication-format="print"><day>24</day><month>July</month><year>2020</year></pub-date><volume>125</volume><issue>4</issue><elocation-id>041601</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2020-05-20" date-type="received"><day>20</day><month>May</month><year>2020</year></date></event><event><date iso-8601-date="2020-07-02" date-type="accepted"><day>2</day><month>July</month><year>2020</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2020</copyright-year><copyright-holder>authors</copyright-holder><license license-type="creative-commons" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><license-p content-type="usage-statement">Published by the American Physical Society under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International</ext-link> license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP<sup>3</sup>.</license-p></license></permissions><abstract><p>Large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> matrix quantum mechanics is central to holographic duality but not solvable in the most interesting cases. We show that the spectrum and simple expectation values in these theories can be obtained numerically via a “bootstrap” methodology. In this approach, operator expectation values are related by symmetries—such as time translation and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> gauge invariance—and then bounded with certain positivity constraints. We first demonstrate how this method efficiently solves the conventional quantum anharmonic oscillator. We then reproduce the known solution of large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> single matrix quantum mechanics. Finally, we present new results on the ground state of large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> two matrix quantum mechanics.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>Simons Foundation</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000893</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="award"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>U.S. Department of Energy</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000015</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>de-sc0018134</award-id></award-group></funding-group><counts><page-count count="5"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><title specific-use="run-in">Introduction.—</title><p>Large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> matrices are at the heart of the holographic emergence of semiclassical, gravitating spacetime geometry <xref ref-type="bibr" rid="c1">[1]</xref>. In matrix quantum mechanics geometry emerges from an underlying theory with no built in locality. The simplest such theory is the single matrix quantum mechanics description of two-dimensional string theory <xref ref-type="bibr" rid="c2">[2]</xref>, while the richest are the maximally supersymmetric multimatrix theories of BFSS <xref ref-type="bibr" rid="c3">[3]</xref> and BMN <xref ref-type="bibr" rid="c4">[4]</xref>. There are many theories in between, with varying numbers of matrices and degrees of supersymmetry <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>. Thus far, only the single matrix quantum mechanics has proved solvable at large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>.</p><p>Nonzero temperature Monte Carlo studies of large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> multimatrix quantum mechanical systems have successfully captured aspects of a known dual spacetime in supersymmetric theories <xref ref-type="bibr" rid="c7 c8 c9 c10">[7–10]</xref>. Substantial Monte Carlo studies have also been performed for nonzero temperature bosonic multimatrix theories, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref>. However, recent work increasingly suggests that the quantum structure of holographic quantum states—revealed, for instance, in their entanglement <xref ref-type="bibr" rid="c13 c14 c15 c16">[13–16]</xref>—plays a central role in the emergence of space. It therefore behooves us to find methods suitable for studying the zero temperature quantum states of multimatrix quantum mechanics directly. Progress was made recently in this direction by using a neural network variational wave function <xref ref-type="bibr" rid="c17">[17]</xref>. Here we describe a different approach.</p><p>Our work is directly inspired by a recent beautiful paper by Lin <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>, with a similar approach also being employed in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c19">[19]</xref>. Lin’s paper studied large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> matrix integrals, which is an easier problem than large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> quantum mechanics but shares important features. Positivity constraints and relations between correlation functions were shown to efficiently produce strong numerical bounds on correlation functions of matrix integrals. In the following we will show how this methodology can be adapted to the quantum mechanical problem.</p></sec><sec id="s2"><title specific-use="run-in">Bootstrapping the quantum anharmonic oscillator.—</title><p>We first illustrate the approach with a warm-up example of a quantum anharmonic oscillator, with Hamiltonian <disp-formula id="d1"><mml:math display="block"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(1)</label></disp-formula>Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Figure <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref> below shows the results for this case: strong constraints on the energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and expectation value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> of the ground state and first excited state.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.125.041601.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>Bootstrap allowed region (shaded) for the anharmonic oscillator <xref ref-type="disp-formula" rid="d1">(1)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Upper plot: the allowed region for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> near the ground state solution (marked by the red cross) for different sizes of the bootstrap matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:math></inline-formula>, 8, 9; lower plot: the allowed region near the first excited state.</p></caption><graphic xlink:href="e041601_1.eps"/></fig><p>The first step is to relate the expectation values of different operators. We will obtain the recursion relation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref> below. In energy eigenstates, for any operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2)</label></disp-formula>For example, let <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d2">(2)</xref> is then the Virial theorem, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The energy is therefore <disp-formula id="d3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3)</label></disp-formula></p><p>More systematically, take <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2">(2)</xref> for integers <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Commuting the operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the identity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and eliminating the terms with a single <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> operator, we arrive at the relation <disp-formula id="d4"><mml:math display="block"><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(4)</label></disp-formula></p><p>In this single particle case is there is a strengthened version of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2">(2)</xref>: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We emphasize Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2">(2)</xref> instead because, as we will see later, it is more useful in the matrix case. Nonetheless, in the present anharmonic oscillator example, take <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, so that <disp-formula id="d5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5)</label></disp-formula>Plugging Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref> gives a recursive relation between expectation values of powers of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3">(3)</xref>. Also we know that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> is odd, so all expectation values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> can be computed from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref>.</p><p>With the recursion relation <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref> at hand we move onto the second step. We wish to solve for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the only two unknown variables, by bootstrapping. This step works as in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>. The basic positivity constraint is that <disp-formula id="d7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo>∀</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(7)</label></disp-formula>which means that the matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> of size <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, should be positive semidefinite. The constraint becomes stronger as we increase <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula>, thus enlarging the space of trial operators. For a given <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> and test values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be computed using the recursion relation <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref>. The bootstrap consists of scanning over these test values, computing the eigenvalues of the matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and thereby determining if positivity excludes the test values as inconsistent.</p><p>The result is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>. Even for moderate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> the values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> are determined quite accurately. The region of allowed values splits into a discrete set of islands. These converge to the spectrum of the Hamiltonian in the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c20">[20]</xref>. Higher energy states require more constraints to be computed accurately.</p></sec><sec id="s3"><title specific-use="run-in">One matrix quantum mechanics.—</title><p>Now we generalize the bootstrap method to matrix quantum mechanics at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The momentum operators can no longer be eliminated explicitly in favor of the energy, and we do not use a closed form recursion relation for all expectation values. However, the energy and expectation values of short operators can still be efficiently constrained.</p><p>Consider the single-matrix quantum mechanics with <disp-formula id="d8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>tr</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>tr</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>tr</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>-by-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> Hermitian matrices with quantum commutators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The theory <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> can be solved by mapping onto <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> free fermions <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. The bootstrap reproduces this solution in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>.</p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.125.041601.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>One matrix quantum mechanics bootstrap for the Hamiltonian <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the maximal length of trial operators. Upper: The markers show the minimal energies allowed by the bootstrap constraints, in comparison with the exact ground state solution. Lower: the expectation values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for the minimal energy parameters found in the upper plot.</p></caption><graphic xlink:href="e041601_2.eps"/></fig><p>Operator expectation values are related by symmetries. In the following, denote <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>tr</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If the state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> commutes with the Hamiltonian then <disp-formula id="d9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo>∀</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(9)</label></disp-formula>For example, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> could be a pure energy eigenstate or a mixed thermal state. Choosing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d10"><mml:math display="block"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(10)</label></disp-formula></p><p>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> symmetry of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> has generators <disp-formula id="d11"><mml:math display="block"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(11)</label></disp-formula>The final identity piece ensures that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, with the operator ordering <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d11">(11)</xref>. In gauged matrix quantum mechanics, physical states must be invariant under this symmetry. In particular, <disp-formula id="d12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo>∀</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>For example, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> implies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Combining this constraint with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> gives <disp-formula id="d13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(13)</label></disp-formula></p><p>Cyclicity of the trace gives another set of relations between operators. Commuting quantum operators may be necessary in applying the cyclic formula. For example, using large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> factorization to leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(14)</label></disp-formula>Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(9)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(12)</xref>, cyclicity of the trace, and reality conditions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> generate all relations between expectation values that we will use for the bootstrap.</p><p>As a mini-bootstrap example, consider trial operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>. From the condition <xref ref-type="disp-formula" rid="d7">(7)</xref>, the following bootstrap matrix should be positive semidefinite: <disp-formula id="d15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="center center center center center" columnlines="solid none none none none" rowlines="solid none none none none"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math><label>(15)</label></disp-formula>Trial operators are built from both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The expectation value for an odd number of matrices vanishes. Positivity of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref> implies <disp-formula id="d16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≥</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(16)</label></disp-formula>where Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref> are used. The inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref> are the bootstrap constraints in this simple example. At <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, so the last inequality in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref> is saturated and the other two are not.</p><p>The bootstrap constraints become stronger as we include more trial operators. First, take all possible strings of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> of length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and write down the matrix analogous to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>. This matrix must be positive semidefinite. Second, regard each of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> entries in the matrix as a variable (which is the expectation value of a single-trace operator with length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>), and write down the equalities between them following from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(9)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(12)</xref>, cyclicity of the trace, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and that the expectation value of an odd number of matrices vanishes. The technical implementation of these constraints, as well as the minimization described in the following paragraph, is detailed in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>.</p><p>Unlike in the single-particle case, we do not necessarily require that the state be an energy eigenstate and the energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> does not appear explicitly in the bootstrap constraints. At infinite <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> the matrix quantum mechanics has a continuous spectrum and therefore we proceed to use gradient descent to minimize the energy in the allowed region of expectation values. In this way we obtain a lower bound on the ground state energy of the theory. The result is a lower bound because certainly the true ground state energy is allowed, and hence above the minimal allowed energy that we find. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref> we observe that the lower bound is very close to the true ground state value, already for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and other observables, such as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>, are also solved accurately.</p></sec><sec id="s4"><title specific-use="run-in">Two matrix quantum mechanics.—</title><p>One matrix quantum mechanics are tractable analytically as one can diagonalize the matrix. This is not the case for multimatrix quantum mechanics. In the following we illustrate how bootstrap methods can successfully be used for such theories, focusing on a relatively simple two-matrix quantum mechanics with a global <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> symmetry (in addition to the large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> gauge symmetry). The Hamiltonian is <disp-formula id="d17"><mml:math display="block"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(17)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> being <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>-by-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> Hermitian matrices, with conjugate momenta <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> coupling constants. This theory is not exactly solvable. An early discussion of the massless (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>) limit of the theory is Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref>. By rescaling the matrices we see that dimensionless physical quantities can only depend on the ratio <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p><p>Imposing rotational invariance gives more relations between observables. We expect the ground state to be rotationally invariant. Rotations are generated by <disp-formula id="d18"><mml:math display="block"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(18)</label></disp-formula>For states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, including eigenstates of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo>∀</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>Thus in the two matrix quantum mechanics, Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(9)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(12)</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="d19">(19)</xref>, cyclicity of the trace, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> will be used to generate all equations between expectation values that we will use. The bootstrap then proceeds in exactly the same way as for the case of a single matrix, now with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> variables prior to imposing constraints. The results for the ground state energy, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> are in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>. The Virial theorem relates these: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.125.041601.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>Minimal energy configuration in the bootstrap allowed region for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, 4. The gray dashed curves are rigorous lower and upper bounds of the ground state energy from the Born-Oppenheimer approximation. In the plots we have set <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e041601_3.eps"/></fig><p>In order to corroborate the accuracy of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> results, we obtain rigorous upper and lower bounds on the true ground state energy using a Born-Oppenheimer wave function. We see in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> bootstrap results indeed lie within a narrow window allowed by these bounds. We briefly describe the wave function in the following paragraph, with details given in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>. As further evidence that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> bootstrap results are close to convergence, we compare our results to existing low temperature Monte Carlo simulations of the massless theory. At large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1.40</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1.01</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from data in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>. The factor of 1.40 agrees precisely with the Monte Carlo result in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c26">[26]</xref>, corresponding to the value of 0.70 in the conventions of that paper. An analogous fit gives the leading order behavior <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1.22</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The numerical factor here is close to the Monte Carlo result of 1.15 in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c26">[26]</xref>.</p><p>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> gauge invariance allows us to diagonalize one of the two matrices, say <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Let the eigenvalues be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The Hamiltonian for the entries <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> of the remaining matrix is a sum of harmonic oscillators, with frequencies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We can therefore write down a Born-Oppenheimer wave function in which these oscillators are placed in their ground state: <disp-formula id="d20"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>That is, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are treated as “fast” compared to the eigenvalues <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Born-Oppenheimer wave functions lead to both upper and lower bounds on the ground state energy. The upper bound follows from treating the wave function as a variational ansatz. The lower bound is obtained by finding the ground state of the eigenvalues in an effective potential due to the zero point energy of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> oscillators. The advantage of the form <xref ref-type="disp-formula" rid="d20">(20)</xref> is that computing the upper and lower bounds reduces to a solvable single-matrix large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> eigenvalue problem. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> we see that the bounds following from the wave function <xref ref-type="disp-formula" rid="d20">(20)</xref> turn out to be remarkably tight.</p><p>From the results in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> one can verify that the ratio <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> tends to a nonzero constant at large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This means that the matrices do not commute in this limit. This can be contrasted with the analogous two matrix integral, with no time, that does become commuting at large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c27">[27]</xref>. This is consistent with the fact that the two matrix integral diverges in the massless limit <xref ref-type="bibr" rid="c28 c29">[28,29]</xref>, as the eigenvalues spread far apart along the classically flat directions of the potential due to commuting matrices, while the massless matrix quantum mechanics still has a discrete spectrum of normalizable states <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref>.</p></sec><sec id="s5"><title specific-use="run-in">Final comments.—</title><p>In summary, we have introduced a systematic numerical method to obtain energies and expectation values of the large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> matrix quantum mechanics states. The method involves establishing relationships between expectation values and then imposing positivity of a certain matrix of expectation values, in the spirit of <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref> we see that the known analytic results for one-matrix large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> quantum mechanics are readily reproduced. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> we have obtained new results for the ground state energy and expectation values of a two matrix large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> quantum mechanics.</p><p>The extension to more matrices should be possible with increased computing power or perhaps by optimizing the algorithm. Looking at supersymmetric states in supersymmetric theories may allow for stronger relationships between expectation values, using the supersymmetry generators. Both more matrices and supersymmetry will of course be necessary to tackle the full blown theories of Banks, Fischler, Shenker, and Susskind <xref ref-type="bibr" rid="c3">[3]</xref> and Berenstein, Maldacena, and Nastase <xref ref-type="bibr" rid="c4">[4]</xref>. Finally, extensions to the Gibbs states (or, to high energy eigenstates) may allow nonzero temperature quantum physics to be accessed with our bootstrap methods. This could give an alternative probe of the thermal phase transitions studied via Monte Carlo simulations in, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref>, as well as a new window into black hole microstates.</p></sec></body><back><ack><p>This work arose from discussions with Edward Mazenc and Daniel Ranard, who also collaborated on the early stages of the project. J. K. is supported by the Simons Foundation. S. A. H. is partially supported by DOE Award No. de-sc0018134 and by a Simons Investigator Grant.</p></ack><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>1</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. M. Maldacena</string-name></person-group>, <source>Int. J. Theor. Phys.</source> <volume>38</volume>, <page-range>1113</page-range> (<year>1999</year>).<pub-id pub-id-type="coden">IJTPBM</pub-id><issn>0020-7748</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1023/A:1026654312961</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>I. R. Klebanov</string-name></person-group>, in <source>String Theory and Quantum Gravity ’91, Proceedings of the Trieste Spring School and Workshop</source> (World Scientific, <year>1991</year>), pp. <page-range>30–101</page-range>.</mixed-citation></ref><ref id="c3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>3</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Banks</string-name>, <string-name>W. Fischler</string-name>, <string-name>S. H. Shenker</string-name>, and <string-name>L. Susskind</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>55</volume>, <page-range>5112</page-range> (<year>1997</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.55.5112</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>4</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. E. Berenstein</string-name>, <string-name>J. M. Maldacena</string-name>, and <string-name>H. S. Nastase</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>04</issue> (<volume>2002</volume>) <page-range>013</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2002/04/013</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>5</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>B. de Wit</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys. B, Proc. Suppl.</source> <volume>56B</volume>, <page-range>76</page-range> (<year>1997</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NPBSE7</pub-id><issn>0920-5632</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/S0920-5632(97)00312-5</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>6</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Brezin</string-name>, <string-name>C. Itzykson</string-name>, <string-name>G. Parisi</string-name>, and <string-name>J. Zuber</string-name></person-group>, <source>Commun. Math. Phys.</source> <volume>59</volume>, <page-range>35</page-range> (<year>1978</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CMPHAY</pub-id><issn>0010-3616</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/BF01614153</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>7</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. N. Anagnostopoulos</string-name>, <string-name>M. Hanada</string-name>, <string-name>J. Nishimura</string-name>, and <string-name>S. Takeuchi</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>100</volume>, <page-range>021601</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.100.021601</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>8</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Catterall</string-name> and <string-name>T. Wiseman</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>78</volume>, <page-range>041502(R)</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.78.041502</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>9</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>V. G. Filev</string-name> and <string-name>D. O’Connor</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>167</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP05(2016)167</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>10</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Berkowitz</string-name>, <string-name>E. Rinaldi</string-name>, <string-name>M. Hanada</string-name>, <string-name>G. Ishiki</string-name>, <string-name>S. Shimasaki</string-name>, and <string-name>P. Vranas</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>94</volume>, <page-range>094501</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.94.094501</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>11</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Azuma</string-name>, <string-name>T. Morita</string-name>, and <string-name>S. Takeuchi</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>113</volume>, <page-range>091603</page-range> (<year>2014</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.113.091603</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>12</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Bergner</string-name>, <string-name>N. Bodendorfer</string-name>, <string-name>M. Hanada</string-name>, <string-name>E. Rinaldi</string-name>, <string-name>A. Schfer</string-name>, and <string-name>P. Vranas</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2020</volume>) <page-range>053</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP01(2020)053</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>13</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Bianchi</string-name> and <string-name>R. C. Myers</string-name></person-group>, <source>Classical Quantum Gravity</source> <volume>31</volume>, <page-range>214002</page-range> (<year>2014</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CQGRDG</pub-id><issn>0264-9381</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/0264-9381/31/21/214002</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>14</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Faulkner</string-name>, <string-name>A. Lewkowycz</string-name>, and <string-name>J. Maldacena</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>074</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP11(2013)074</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>15</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>W. Donnelly</string-name> and <string-name>L. Freidel</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>09</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>102</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP09(2016)102</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>16</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Harlow</string-name></person-group>, <source>Commun. Math. Phys.</source> <volume>354</volume>, <page-range>865</page-range> (<year>2017</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CMPHAY</pub-id><issn>0010-3616</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/s00220-017-2904-z</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>17</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>X. Han</string-name> and <string-name>S. A. Hartnoll</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. X</source> <volume>10</volume>, <page-range>011069</page-range> (<year>2020</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRXHAE</pub-id><issn>2160-3308</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevX.10.011069</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>18</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>H. W. Lin</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>06</issue> (<volume>2020</volume>) <page-range>090</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP06(2020)090</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>19</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. D. Anderson</string-name> and <string-name>M. Kruczenski</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B921</volume>, <page-range>702</page-range> (<year>2017</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.nuclphysb.2017.06.009</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c20"><label>[20]</label><note content-type="endnote"><p>If <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <italic>all</italic> operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> for some quantum state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. If, furthermore, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> must be an eigenstate with energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Therefore as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, wherein the constraints are indeed imposed for all operators, the allowed region of energies necessarily shrinks to the spectrum of the Hamiltonian, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> the expectation value in energy eigenstates.</p></note></ref><ref id="c21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="supplemental-material"><object-id>21</object-id>See Supplemental Material at <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://link.aps.org/supplemental/10.1103/PhysRevLett.125.041601">http://link.aps.org/supplemental/10.1103/PhysRevLett.125.041601</ext-link> for details of numerical implementation and of the Born-Oppenheimer wavefunction, which includes Refs. [22–24].</mixed-citation></ref><ref id="c22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>22</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. R. Das</string-name> and <string-name>A. Jevicki</string-name></person-group>, <source>Mod. Phys. Lett. A</source> <volume>05</volume>, <page-range>1639</page-range> (<year>1990</year>).<pub-id pub-id-type="coden">MPLAEQ</pub-id><issn>0217-7323</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1142/S0217732390001888</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>23</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>O. Aharony</string-name>, <string-name>J. Marsano</string-name>, <string-name>S. Minwalla</string-name>, <string-name>K. Papadodimas</string-name>, <string-name>M. Van Raamsdonk</string-name>, and <string-name>T. Wiseman</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2006</volume>) <page-range>140</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2006/01/140</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>24</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Nocedal</string-name> and <string-name>S. Wright</string-name></person-group>, <source>Numerical Optimization</source> (<publisher-name>Springer Science &amp; Business Media</publisher-name>, New York, <year>2006</year>).</mixed-citation></ref><ref id="c25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="thesis"><object-id>25</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Hoppe</string-name></person-group>, <article-title>Quantum theory of a massless relativistic surface and a two-dimensional bound state problem</article-title>, Ph.D. thesis, <institution>Massachusetts Institute of Technology</institution>, <year>1982</year>.</mixed-citation></ref><ref id="c26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>26</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Morita</string-name> and <string-name>H. Yoshida</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>101</volume>, <page-range>106010</page-range> (<year>2020</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.101.106010</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>27</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. E. Berenstein</string-name>, <string-name>M. Hanada</string-name>, and <string-name>S. A. Hartnoll</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2009</volume>) <page-range>010</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2009/02/010</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>28</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>W. Krauth</string-name>, <string-name>H. Nicolai</string-name>, and <string-name>M. Staudacher</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>431</volume>, <page-range>31</page-range> (<year>1998</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/S0370-2693(98)00557-7</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>29</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>W. Krauth</string-name> and <string-name>M. Staudacher</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>435</volume>, <page-range>350</page-range> (<year>1998</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/S0370-2693(98)00814-4</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>30</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>B. Simon</string-name></person-group>, <source>Ann. Phys. (N.Y.)</source> <volume>146</volume>, <page-range>209</page-range> (<year>1983</year>).<pub-id pub-id-type="coden">APNYA6</pub-id><issn>0003-4916</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0003-4916(83)90057-X</pub-id></mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
