在量子世界中，多数系统会随时间趋向热平衡，导致初始量子信息消散—— 这一过程被称为 “遍历性”。而量子多体疤痕态（Quantum Many-Body Scars, QMBS）是一类特殊的 “非遍历本征态”，如同在混沌系统中留下的 “记忆疤痕”，能长期保留初始量子特征。但理想与现实之间横亘着退相干的鸿沟。此前研究推测疤痕态可能在噪声环境中快速热平衡，其抗噪机制始终是未解之谜。

近日，pp电子游戏平台官网相关研究团队与合作者在国际顶级物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters, PRL）发表题为 “Liouvillian Spectral Transition in Noisy Quantum Many-Body Scars” 的研究成果（PRL 135, 180401 (2025)），揭示了量子多体疤痕在局域退相位噪声作用下的刘维尔谱转变（Liouvillian Spectral Transition）现象，发现了基于量子多体关联的新型抗退相干机制，为真实噪声环境下的稳健量子信息处理提供了全新物理思路。 

图 1. 自旋Creutz-Ladder模型示意图、以及其刘维尔谱及其本征态与疤痕态的交叠。

关键发现：刘维尔谱的转变与独特标度律

研究团队针对具有 su (2) 代数结构的典型量子多体疤痕模型展开系统研究，包括自旋 Creutz-Ladder模型（图1a）、里德堡原子阵列中的 PXP 模型等核心体系。通过精确对角化与开放系统张量网络计算技术，研究团队发现：随着局域退相位噪声强度的梯度增加，疤痕态对应的刘维尔本征值在复平面上的分布呈现显著的临界转变行为。在弱退相干区域，本征值集中分布于虚轴附近，如图1b；当退相干速率跨越临界阈值后，本征值演化形成稀疏的菱形网格状分布，如图 1c。这一转变过程随退相干系数的变化具有明确的定量规律（图 2a）。

对于一般的量子多体遍历系统，这个典型的转变值随系统规模呈指数衰减，意味着大型系统对噪声极其敏感。而疤痕本征模式展现出完全不同的行为：其谱转变值只与系统尺寸成反比，如图 2b–2c所示。这意味着即使系统扩大 10 倍，维持疤痕态相干性所需的噪声控制精度只需提升一个量级，而非指数级，这在实际系统中更容易实现。

全新机制：多体混沌为量子疤痕态穿上“防噪铠甲”

为揭开该数值预测的物理本质，研究团队将传统微扰理论拓展至刘维尔空间，理论分析表明，刘维尔谱的转变行为，本质是“疤痕子空间 - 热化子空间耦合” 与 “环境耗散” 之间的竞争结果 —— 当环境耗散较弱时，疤痕子空间的强关联特性占据主导，维持谱的稳定性；当耗散强度超过临界值，耗散作用打破平衡，触发刘维尔谱的结构性转变。

通过进一步的解析推导，研究团队得到了临界退相干速率的标度律，其结果与数值模拟高度吻合（图 2b）。值得强调的是，该刘维尔谱转变无法通过非厄米哈密顿近似描述，充分反映了真实开放量子系统独特的非平衡动力学特征。

图 2. 自旋Creutz-Ladder模型中刘维尔谱的演化与标度行为。

动力学验证：谱转变与疤痕态稳定性的关联

为验证谱转变对量子动力学的影响，研究团队开展了系统的动力学演化模拟。结果显示：在谱转变发生前，近似疤痕态的关键动力学特征—— 包括保真度峰值、密度失衡振荡等 —— 能够保持稳定；而当退相干强度超过临界值、谱转变发生后，这些非热化动力学特征迅速衰减至热平衡值，表现为普通的指数衰减行为。这一现象既延续了封闭系统中疤痕态的鲁棒性特征，又明确了量子噪声在调控这一稳定性中的关键作用，为谱转变机制提供了直接的动力学证据（图 3）。

图 3. 自旋Creutz-Ladder模型中保真度与密度不平衡的动力学行为。

普适性验证：弱遍历破缺体系的共性特征

为确认该现象的普适性，研究团队在里德堡原子阵列的有效模型（PXP 模型）中重复了相关计算，观测到了一致的刘维尔谱转变行为。值得注意的是，PXP 模型并不满足传统刘维尔 PT 对称性破缺所需的对称条件，表明此类谱转变的物理根源并非对称性破缺，而是量子多体疤痕与热化空间的微扰耦合效应。此外，团队在希尔伯特空间碎块化等其他弱遍历破缺模型中也观测到了类似现象，进一步证实了该谱转变是弱遍历破缺体系在开放环境中的共性物理特征。

学术价值与应用前景

该研究的核心创新在于：突破了传统退相干自由子空间（Decoherence-Free Subspace）的保护机制，提出了基于量子多体混沌系统中疤痕态与热化背景独特耦合的新型抗退相干策略。通过利用这一机制，量子系统在噪声环境中可维持非遍历性动力学，保持量子信息的存储稳定性。这一发现不仅深化了对开放系统中弱遍历性破缺机制的理解，更为量子信息处理与量子模拟的实用化提供了关键物理支撑。

此前，量子多体疤痕已被证实具有高灵敏度量子传感的应用潜力，而本研究进一步拓展了其在抗退相干量子信息存储领域的应用前景，为解决真实环境中量子态的稳定性难题提供了新的技术路径。该成果不仅拓展了量子多体疤痕的理论边界，更推动了量子多体物理与量子信息科学的交叉融合，为相关领域的实验研究提供了明确的指导方向。

研究团队与资助支持

该论文共同第一作者为pp电子游戏平台官网马金楼博士后和郭泽贤博士生，共同通讯作者为英国利兹大学 Zlatko Papic 教授和pp电子游戏平台官网 “百人计划” 研究员应磊，pp电子游戏平台官网高宇博士生也参与相关研究工作。研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/4my3-vk6c