中国科大取得重要突破 首次实现量子李雅普诺夫指数的精确提取

大皖新闻讯 ”这一结果意义重大，为观测混沌的量子世界提供了全新视角。”相关人员如此评价说。2月14日，大皖新闻记者从中国科学技术大学获悉，该校自旋磁共振实验室彭新华教授与国内学者合作，在量子混沌动力学研究领域取得重要突破。团队借助固态核磁共振技术，在宏观随机相互作用自旋体系中成功验证了被称为“弥散子”(Scramblon)理论的核心预言，并首次实验精确提取了多体系统的量子李雅普诺夫（Lyapunov）指数。

验证复杂系统中量子混沌的普适规律

量子混沌动力学是连接凝聚态物理、高能物理、量子信息等多领域的关键研究方向，揭示了量子系统信息弥散与热化规律，对探索量子世界的混沌本质、推动量子模拟与量子计量技术发展具有里程碑式的意义。2月14日，相关人员介绍称，2014年美国物理学家Kitaev提出用交错时序关联函数（OTOC）描述量子多体系统和黑洞的混沌行为，引发了研究热潮。尽管OTOC的测量已经在很多量子信息实验平台上得以实现，但相关实验都未能观测到OTOC长时间指数增长的量子蝴蝶效应特征。

“此前实验上所应用的误差缓解方法均无法将二者有效分离。”相关人员表示，这一难题的解决，既需要实验上构建可控的量子多体混沌系统以高质量数据验证理论误差模型，也需要从理论上厘清误差对交错时序关联函数的影响机制。

图：(a)量子混沌“蝴蝶效应”对逆演化误差的放大效应；(b)实验验证弥散子理论的实验方案；(c)量子混沌系统指数增长行为的提取（图中蓝线）

记者获悉，为攻克这一难题，实验与理论团队开展深度协作。实验团队以金刚烷粉末为样品搭建固态核磁共振实验平台，利用该体系中大量通过偶极力相互作用的氢核自旋，通过高精度量子调控技术构造出多种随机自旋模型，驱动系统呈现混沌动力学行为。理论团队则依托近年发展的“弥散子”理论对系统本征混沌与实验误差的相互作用进行建模。实验测量结果与“弥散子”理论预言高度吻合，实现了该理论的国际首次实验验证。

研究团队进一步基于误差缓解思想，将交错时序关联函数测量结果外推至理想无误差状态，有效分离了反向演化的实验误差影响，成功观测到量子多体混沌系统长期难以捕捉的指数增长行为，并精准提取出衡量系统混沌程度的核心指标——量子“李雅普诺夫”指数。

成果背后系跨越十年的理论与实验合作

在研究工作的背后，还承载了一段跨越十年的理论和实验紧密合作的故事。早在2017年，杜江峰教授/彭新华教授实验课题组与翟荟教授理论课题组开展合作，国际上首次原理性演示了交错时序关联函数的实验测量。该工作与美国研究团队几乎同一时间完成的离子阱实验一同被视为对这一新型关联函数的首次测量，成为量子计算平台关注的热点。

随后，中国科大团队在实验方面技术能力的不断提升，使得研究从液态核磁少数自旋比特体系拓展到固态核磁宏观数目自旋系统，核磁共振量子模拟的实验能力已能探究经典计算机无法模拟的复杂量子多体问题。结合清华团队在理论上的不断深入理解，2024年合作团队再获突破，发现该体系常规关联函数的普适性，成果发表于《自然·物理》。此次新成果是双方深化合作的结晶。

2月14日，中国科大相关人员介绍称，相关研究成果发表于《物理评论快报》，并入选“编辑推荐”。这项研究意义重大，不仅首次在宏观多体系统中实现量子李雅普诺夫指数的可靠测量，验证了复杂系统中量子混沌的普适规律，成为量子混沌动力学研究领域的重要节点，还有望深度推动量子计算、量子模拟、量子精密测量等量子科学多方向的发展。

大皖新闻记者 魏鑫鑫 （图片来自中国科大）

编辑 张大为