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清华物理系研究团队首次观测到里德堡原子阵列中的反常信息置乱现象(图文)

发布者：眺望科技                     发布日期：2025-08-08

亚马逊河边一只蝴蝶扇动翅膀，可能引发德克萨斯州的一场风暴——这一经典的非线性动力学现象，形象地揭示了初始条件的细微偏差如何导致结果的巨大差异。在量子世界中，信息是如何在强关联多体系统中传播，一个局部的微小扰动又是如何影响其未来动力学演化的呢？量子信息置乱（Quantum Information Scrambling）为理解这一量子多体动力学问题提供了一种重要的观测角度。它描述了局部信息通过多体纠缠和关联在整个系统中的传播过程，对于理解热化动力学和系统向平衡态的演化至关重要。

 

一个典型的多体相互作用系统在时间演化下通常会发生热化，演生出线性的信息扩散光锥。然而，并非所有系统都遵循这一规律。研究表明那些违背本征态热化假说的多体状态，可以在不同程度上打破遍历性，这些动力学物态进一步丰富我们对于量子多体系统动力学的理解。近日，清华大学物理系尤力教授和郑盟锟副教授的研究团队在里德堡原子阵列平台上研究了多体自旋系统的动力学过程，首次观测到了理论预言的不同于常规热化系统的反常量子信息置乱现象，如图1。

图1：（a）原子阵列与调制激光示意图。（b）测量交错时间关联函数的量子线路，包含时间演化、扰动算符与时间反演操作。（c）不同初态|g>=|gg...g>与|Z2>=|rgrg...rgr>的交错时间关联函数的数值结果，对比了热化系统与量子多体疤痕系统迥异的量子信息置乱的时空传播特征。

 

研究团队通过以原子阵列为载体的模拟数字混合线路，构建了类洛施米特回波（Loschmidt echo）过程，直接测量了交错时间关联函数（Out-of-Time-Order Correlator, OTOC），如图1(b)的量子线路所示。洛施米特回波过程中受控的正向演化与时间反演操作，使得研究者可以自由地在被模拟系统的过去与未来的不同时刻穿梭。而夹在其中的局域的扰动算符，犹如历史时刻中一次量子蝴蝶翅膀的扇动，使得研究者可以通过观察这一历史扰动对于当下状态的影响范围，获得关于信息传播的额外空间信息，由此重建出完整的信息传播的时空图景。

 

实现受控的时间反演是这类实验测量中主要的技术挑战。因为时间的箭头无法反转，一种等效的动力学反演可以通过正向演化整体改变了符号的哈密顿量而得到，但是将系统内禀的多体相互作用进行快速反号通常很难做到。研究团队利用里德堡原子间强范德瓦尔斯相互作用带来的里德堡阻塞（Rydberg Blockade）效应，将动力学演化集中在受限的希尔伯特子空间内，借鉴该子空间内的等效哈密顿量的粒子-空穴对称性，创新性地通过控制驱动激光的参考相位，成功实现了向前演化与等效的时间反演操作之间的快速任意切换。

图2：通过驱动激光相位切换时间演化与时间反演。演示了不同初态（a）|g>=|gg...g>（b）|Z2>=|rgrg...rgr>的时间反演的可行性，局域里德堡原子态密度在相位切换前后几乎对称。

 

基于以上调制手段得到的等效时间反演，研究团队测量了不同初态下OTOC函数的时空分布，他们之间的对比揭示了量子多体疤痕系统中的反常信息置乱的特征。对于在动力学表现热化特征的初态，以自旋全部朝下的直积态|g>=|gg...g>为例，OTOC的时空图表现为线性的光锥以及光锥内信号的快速衰减。而对于与量子多体疤痕态子空间有较大重叠的初态，以Z2 Néel态|Z2>=|rgrg...rgr>为例，信息扩散的速度显著减慢，并且在受抑制的光锥内出现了持续的振荡，意味着局域扰动可以对系统长期动力学演化具有持续的影响。相比另一类完全遍历性破缺的系统，多体局域化系统，其信息传播的抑制表现出对数型光锥的特征，实验中观测到信息传播速度虽然减慢但是信息传播的边界仍然保持线性，信息仍然能在线性增长的时间内传播到整个系统。这一实验验证了弱遍历性破缺的量子多体疤痕态，具有与热化系统和多体局域化系统迥异的信息置乱特征。

图3：实验结果与数值结果的对比。不同初态（a）|g>=|gg...g>（b）|Z2>=|rgrg...rgr>，在信息传播速度以及振荡衰减的特征时间，均表现出迥异的量子信息置乱特征。

 

该研究是在课题组搭建的里德堡原子阵列平台上的首项工作，是国际上首次报道实现对与量子多体疤痕态高度重叠初态的交错时间关联函数的测量，也是在所有已知体系中，首次对于不同于常规热化系统的反常信息置乱的实验验证。这一实验的方案最早由清华大学交叉信息研究院的邓东灵副教授组提出（Phys. Rev. Research 4, 023095）,他们的预言结合实验观测不仅为量子多体动力学的研究提供了新的实验证据，也为量子信息科学中的其他研究领域，如研究希尔伯特空间碎片化，利用受限动力学进行信息编码与量子存储，和基于洛施米特回波进行量子传感等方向，提供了重要的技术参考。

 

研究成果以“Observation of Anomalous Information Scrambling in a Rydberg Atom Array”为题，于2025年7月31日以编辑推荐（Editor's Suggestion）的方式，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。并在Physics杂志上同步刊载了相应的介绍评论文章（Featured in Physics）。

 

清华大学物理系2019级博士生梁昕晖、2020级博士生岳宗沛为论文共同第一作者，郑盟锟副教授与尤力教授为共同通讯作者。其他合作者包括清华物理系2021级博士生晁雨欣、2022级博士生华振兴、中国计量科学研究院林弋戈研究员。清华大学邓东灵副教授以及博士生袁冬在论文写作与数值模拟方面提供了宝贵的帮助和指导，在此表示衷心的感谢。该研究得到了国家自然科学基金、科技部、清华大学低维量子物理全国重点实验室、量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院和合肥国家实验室（2030项目）的资助。