时间反演实验首次精确量化量子蝴蝶效应，中科大团队测出混沌增长

探索宇宙奥秘 · 理性思考

如果能让时间倒流，世界会变成什么样？中国科学家最近完成的一项实验，不仅尝试让量子系统"时光倒流"，还首次精确测量了这种倒流过程中混沌的累积速度。中国科学技术大学李宇晨团队联合国内外研究者，利用固态核磁共振技术，首次在实验上精确量化了量子多体系统中混沌的指数增长规律。这项成果发表于《物理评论快报》，为理解量子世界的不可逆性提供了定量标尺。

蝴蝶效应描述了一个残酷的现实：复杂系统对初始条件极度敏感，微小的误差会被无限放大。在经典物理中，这表现为天气预报的长期不可预测性。但在量子世界，情况更为微妙。

量子多体系统由大量相互纠缠的粒子组成。随着系统演化，关于初始状态的信息不会消失，而是像被打散的拼图一样，分散到复杂的量子关联中。物理学家称之为"信息扰码"。

这种扰码过程难以观测。传统上，研究者使用"非时序关联函数"（OTOC）来捕捉信息扩散的速度。OTOC衰减越快，说明系统越混沌。如何在真实的量子实验中精确测量这一指标，长期困扰着学界。

李宇晨团队设计了一套精巧的实验方案。他们使用固态核磁共振技术，探测和操控原子核的量子自旋状态。

在实验中，研究人员让固态材料中的核自旋系统先正向演化一段时间。这些核自旋之间存在随机相互作用，形成了一个可控的多体系统。随后，团队施加特定的射频脉冲序列，试图让系统沿着时间反方向演化，回到初始状态。

理论上，量子力学方程具有时间反演对称性。但在实际操作中，任何微小的控制误差都会像滚雪球一样累积。系统最终偏离初始状态的程度，正是测量混沌强度的关键指标。

真正的挑战在于区分两类误差。实验装置本身的不完美会引入技术误差，而系统内在的量子混沌则是物理本质。过去的研究难以将二者剥离。

团队引入了一种名为"Scramblons"的理论框架。Scramblons描述的是涉及多体纠缠的集体激发模式，它们承载着量子信息扩散的物理图像。基于这一理论，研究人员建立了误差修正模型，识别并扣除了实验中的技术缺陷。

经过修正后，数据清晰地显示出混沌的指数增长特征。这是科学家首次在多体实验系统中如此精确地测量到量子蝴蝶效应的定量规律。指数增长因子这一关键参数，终于从理论预测变成了实验数据。

这项突破置于量子科学发展的长河中观察，意义更为清晰。从20世纪60年代洛伦兹发现经典混沌，到近年来全息原理与量子混沌的深刻联系，理解量子系统的信息扩散一直是理论物理的核心问题。2010年代，OTOC作为量子混沌的诊断工具被提出，但实验测量始终受限于误差控制。

中国在量子精密测量领域已形成系统布局。潘建伟团队此前在量子通信和量子计算原型机"九章"上的突破，奠定了多粒子操控的技术基础。此次李宇晨团队的工作，将中国在量子模拟领域的优势延伸至混沌动力学这一基础物理问题。

国际上，谷歌、IBM等公司在量子计算硬件上竞争激烈，但在量子多体系统的精密操控和基础物理测量方面，中国团队保持着独特优势。这项成果不仅验证了全息原理等理论猜想，更为量子模拟的误差控制提供了实用工具。

精确量化混沌增长，意味着科学家可以更准确地评估量子计算的容错阈值，设计更鲁棒的量子纠错方案。当人类试图操纵越来越复杂的量子系统时，这份对"不可预测性"的精确认知，将成为不可或缺的技术底牌。

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.