探索宇宙奧秘 · 理性思考

如果能讓時(shí)間倒流，世界會(huì)變成什么樣？中國(guó)科學(xué)家最近完成的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，不僅嘗試讓量子系統(tǒng)"時(shí)光倒流"，還首次精確測(cè)量了這種倒流過(guò)程中混沌的累積速度。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李宇晨團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究者，利用固態(tài)核磁共振技術(shù)，首次在實(shí)驗(yàn)上精確量化了量子多體系統(tǒng)中混沌的指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律。這項(xiàng)成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》，為理解量子世界的不可逆性提供了定量標(biāo)尺。

蝴蝶效應(yīng)描述了一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)：復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)初始條件極度敏感，微小的誤差會(huì)被無(wú)限放大。在經(jīng)典物理中，這表現(xiàn)為天氣預(yù)報(bào)的長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性。但在量子世界，情況更為微妙。

量子多體系統(tǒng)由大量相互糾纏的粒子組成。隨著系統(tǒng)演化，關(guān)于初始狀態(tài)的信息不會(huì)消失，而是像被打散的拼圖一樣，分散到復(fù)雜的量子關(guān)聯(lián)中。物理學(xué)家稱(chēng)之為"信息擾碼"。

這種擾碼過(guò)程難以觀(guān)測(cè)。傳統(tǒng)上，研究者使用"非時(shí)序關(guān)聯(lián)函數(shù)"（OTOC）來(lái)捕捉信息擴(kuò)散的速度。OTOC衰減越快，說(shuō)明系統(tǒng)越混沌。如何在真實(shí)的量子實(shí)驗(yàn)中精確測(cè)量這一指標(biāo)，長(zhǎng)期困擾著學(xué)界。

李宇晨團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套精巧的實(shí)驗(yàn)方案。他們使用固態(tài)核磁共振技術(shù)，探測(cè)和操控原子核的量子自旋狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓固態(tài)材料中的核自旋系統(tǒng)先正向演化一段時(shí)間。這些核自旋之間存在隨機(jī)相互作用，形成了一個(gè)可控的多體系統(tǒng)。隨后，團(tuán)隊(duì)施加特定的射頻脈沖序列，試圖讓系統(tǒng)沿著時(shí)間反方向演化，回到初始狀態(tài)。

理論上，量子力學(xué)方程具有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性。但在實(shí)際操作中，任何微小的控制誤差都會(huì)像滾雪球一樣累積。系統(tǒng)最終偏離初始狀態(tài)的程度，正是測(cè)量混沌強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。

真正的挑戰(zhàn)在于區(qū)分兩類(lèi)誤差。實(shí)驗(yàn)裝置本身的不完美會(huì)引入技術(shù)誤差，而系統(tǒng)內(nèi)在的量子混沌則是物理本質(zhì)。過(guò)去的研究難以將二者剝離。

團(tuán)隊(duì)引入了一種名為"Scramblons"的理論框架。Scramblons描述的是涉及多體糾纏的集體激發(fā)模式，它們承載著量子信息擴(kuò)散的物理圖像。基于這一理論，研究人員建立了誤差修正模型，識(shí)別并扣除了實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)缺陷。

經(jīng)過(guò)修正后，數(shù)據(jù)清晰地顯示出混沌的指數(shù)增長(zhǎng)特征。這是科學(xué)家首次在多體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中如此精確地測(cè)量到量子蝴蝶效應(yīng)的定量規(guī)律。指數(shù)增長(zhǎng)因子這一關(guān)鍵參數(shù)，終于從理論預(yù)測(cè)變成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)突破置于量子科學(xué)發(fā)展的長(zhǎng)河中觀(guān)察，意義更為清晰。從20世紀(jì)60年代洛倫茲發(fā)現(xiàn)經(jīng)典混沌，到近年來(lái)全息原理與量子混沌的深刻聯(lián)系，理解量子系統(tǒng)的信息擴(kuò)散一直是理論物理的核心問(wèn)題。2010年代，OTOC作為量子混沌的診斷工具被提出，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量始終受限于誤差控制。

中國(guó)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域已形成系統(tǒng)布局。潘建偉團(tuán)隊(duì)此前在量子通信和量子計(jì)算原型機(jī)"九章"上的突破，奠定了多粒子操控的技術(shù)基礎(chǔ)。此次李宇晨團(tuán)隊(duì)的工作，將中國(guó)在量子模擬領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)延伸至混沌動(dòng)力學(xué)這一基礎(chǔ)物理問(wèn)題。

國(guó)際上，谷歌、IBM等公司在量子計(jì)算硬件上競(jìng)爭(zhēng)激烈，但在量子多體系統(tǒng)的精密操控和基礎(chǔ)物理測(cè)量方面，中國(guó)團(tuán)隊(duì)保持著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)成果不僅驗(yàn)證了全息原理等理論猜想，更為量子模擬的誤差控制提供了實(shí)用工具。

精確量化混沌增長(zhǎng)，意味著科學(xué)家可以更準(zhǔn)確地評(píng)估量子計(jì)算的容錯(cuò)閾值，設(shè)計(jì)更魯棒的量子糾錯(cuò)方案。當(dāng)人類(lèi)試圖操縱越來(lái)越復(fù)雜的量子系統(tǒng)時(shí)，這份對(duì)"不可預(yù)測(cè)性"的精確認(rèn)知，將成為不可或缺的技術(shù)底牌。

Yu-Chen Li et al., Error-Resilient Reversal of Quantum Chaotic Dynamics Enabled by Scramblons, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/cg3f-rggs. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.19915.