時間反演實驗首次精確量化量子蝴蝶效應，中科大團隊測出混沌增長

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如果能讓時間倒流，世界會變成什么樣？中國科學家最近完成的一項實驗，不僅嘗試讓量子系統"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。中國科學技術大學李宇晨團隊聯合國內外研究者，利用固態核磁共振技術，首次在實驗上精確量化了量子多體系統中混沌的指數增長規律。這項成果發表于《物理評論快報》，為理解量子世界的不可逆性提供了定量標尺。

蝴蝶效應描述了一個殘酷的現實：復雜系統對初始條件極度敏感，微小的誤差會被無限放大。在經典物理中，這表現為天氣預報的長期不可預測性。但在量子世界，情況更為微妙。

量子多體系統由大量相互糾纏的粒子組成。隨著系統演化，關于初始狀態的信息不會消失，而是像被打散的拼圖一樣，分散到復雜的量子關聯中。物理學家稱之為"信息擾碼"。

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

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

在實驗中，研究人員讓固態材料中的核自旋系統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。隨后，團隊施加特定的射頻脈沖序列，試圖讓系統沿著時間反方向演化，回到初始狀態。

理論上，量子力學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。系統最終偏離初始狀態的程度，正是測量混沌強度的關鍵指標。

真正的挑戰在于區分兩類誤差。實驗裝置本身的不完美會引入技術誤差，而系統內在的量子混沌則是物理本質。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缺陷。

經過修正后，數據清晰地顯示出混沌的指數增長特征。這是科學家首次在多體實驗系統中如此精確地測量到量子蝴蝶效應的定量規律。指數增長因子這一關鍵參數，終于從理論預測變成了實驗數據。

這項突破置于量子科學發展的長河中觀察，意義更為清晰。從20世紀60年代洛倫茲發現經典混沌，到近年來全息原理與量子混沌的深刻聯系，理解量子系統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域已形成系統布局。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基礎。此次李宇晨團隊的工作，將中國在量子模擬領域的優勢延伸至混沌動力學這一基礎物理問題。

國際上，谷歌、IBM等公司在量子計算硬件上競爭激烈，但在量子多體系統的精密操控和基礎物理測量方面，中國團隊保持著獨特優勢。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，意味著科學家可以更準確地評估量子計算的容錯閾值，設計更魯棒的量子糾錯方案。當人類試圖操縱越來越復雜的量子系統時，這份對"不可預測性"的精確認知，將成為不可或缺的技術底牌。

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.