我院彭新华教授与合作者首次实现量子李雅普诺夫指数的精确提取 [2026-02-12]

近日，我院自旋磁共振实验室彭新华教授和清华大学翟荟教授、复旦大学张鹏飞研究员等人合作，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。相关研究成果于2026年2月9日以“Error-resilient Reversal of Quantum Chaotic Dynamics Enabled by Scramblons”为题发表于《物理评论快报》，并入选“编辑推荐”。

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。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。其中一个重要原因是测量OTOC需实现系统正、反向演化，而反向演化的微小偏差也会随时间指数放大，导致系统本征混沌效应与实验误差难以区分。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。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OTOC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）。

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；同时实现量子系统的正、反向演化，借助多量子相干谱测量方案精准测定交错时序关联函数，观测其随演化时间的衰减特征。理论团队则依托近年发展的“弥散子”理论[JHEP 03 (2022) 133]（本工作一位通讯作者为该理论共同提出者），对系统本征混沌与实验误差的相互作用进行建模，推导出考虑误差后随机自旋模型中交错时序关联函数的理论表达式及其约束条件。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。

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。

该工作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，成果发表于Physical Review X且在谷歌学术上被引530余次。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，获美国物理学会《物理》杂志高度评价，称“中国和美国的两个研究组在追踪量子自旋系统的信息弥散方面迈出了重要一步”，同时也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。《物理》杂志再度撰写评论，斯坦福大学祁晓亮教授盛赞“这一结果意义重大“，”印证了量子混沌系统中存在普适规律“，”为观测混沌的量子世界提供了全新视角“，”也为桌面实验与高能物理的研究搭建起了新的联结桥梁“。

中国科学技术大学自旋磁共振实验室博士后李宇晨、清华大学周天罡博士（现为日内瓦大学博士后）和中国科学技术大学博士研究生张晟昱为论文共同第一作者，彭新华教授、翟荟教授和张鹏飞研究员为该文共同通讯作者。该研究得到了来自科技部、国家自然科学基金委等多个项目的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cg3f-rggs

《物理》评论链接：https://physics.aps.org/articles/v19/12

（物理学院，科研部）