探索宇宙奧秘 · 理性思考

如果能讓時間倒流，世界會變成什么樣？中國科學(xué)家最近完成的一項實驗，不僅嘗試讓量子系統(tǒng)"時光倒流"，還首次精確測量了這種倒流過程中混沌的累積速度。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李宇晨團隊聯(lián)合國內(nèi)外研究者，利用固態(tài)核磁共振技術(shù)，首次在實驗上精確量化了量子多體系統(tǒng)中混沌的指數(shù)增長規(guī)律。這項成果發(fā)表于《物理評論快報》，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)描述了一個殘酷的現(xiàn)實：復(fù)雜系統(tǒng)對初始條件極度敏感，微小的誤差會被無限放大。在經(jīng)典物理中，這表現(xiàn)為天氣預(yù)報的長期不可預(yù)測性。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)家稱之為"信息擾碼"。

這種擾碼過程難以觀測。傳統(tǒng)上，研究者使用"非時序關(guān)聯(lián)函數(shù)"（OTOC）來捕捉信息擴散的速度。OTOC衰減越快，說明系統(tǒng)越混沌。如何在真實的量子實驗中精確測量這一指標(biāo)，長期困擾著學(xué)界。

李宇晨團隊設(shè)計了一套精巧的實驗方案。他們使用固態(tài)核磁共振技術(shù)，探測和操控原子核的量子自旋狀態(tài)。

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

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

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

團隊引入了一種名為"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散的物理圖像?；谶@一理論，研究人員建立了誤差修正模型，識別并扣除了實驗中的技術(shù)缺陷。

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

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

中國在量子精密測量領(lǐng)域已形成系統(tǒng)布局。潘建偉團隊此前在量子通信和量子計算原型機"九章"上的突破，奠定了多粒子操控的技術(shù)基礎(chǔ)。此次李宇晨團隊的工作，將中國在量子模擬領(lǐng)域的優(yōu)勢延伸至混沌動力學(xué)這一基礎(chǔ)物理問題。

國際上，谷歌、IBM等公司在量子計算硬件上競爭激烈，但在量子多體系統(tǒng)的精密操控和基礎(chǔ)物理測量方面，中國團隊保持著獨特優(yōu)勢。這項成果不僅驗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用工具。

精確量化混沌增長，意味著科學(xué)家可以更準(zhǔn)確地評估量子計算的容錯閾值，設(shè)計更魯棒的量子糾錯方案。當(dāng)人類試圖操縱越來越復(fù)雜的量子系統(tǒng)時，這份對"不可預(yù)測性"的精確認知，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.