中国科大：用「量子热化」给固态多体哈密顿量做实验层析

中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授团队及其合作者，提出并实验演示了一种新型量子多体哈密顿量层析方法：首次在固体核自旋体系中，借助量子热化机制，高效提取多体哈密顿量里的复杂相互作用结构。成果以“Experimental Tomography of Quantum Many-Body Hamiltonians in Solids via Thermalization”为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。[1]

哈密顿量为什么难「拍清楚」

哈密顿量决定量子系统的平衡态与动力学，常被比作系统的「基因密码」。系统一变大，多体相互作用复杂度近似指数增长。传统层析多依赖高精度量子逻辑门和可编程线路；对缺少单比特寻址能力的固态物质或自旋系综，这套工具很难直接搬过去。[1]

方法在做什么

团队把通常被视为破坏相干性的「量子热化」，转成编码哈密顿量信息的机制。高温极限下，借助团簇展开，未知参数可显式编码在热化后的平衡态中。测量上只依赖全局操控：系统先后经历两次量子热化，中间穿插一次参数可调的全局旋转，再测宏观集体响应；系统扫描欧拉旋转参数，得到一套「特征响应谱」，相当于从不同角度给哈密顿量拍指纹。[1]

反演时，先把目标哈密顿量在不可约球张量算符（ISTO）基底上展开，用SO(3)傅里叶变换解耦不同角动量贡献，再结合主成分分析提取主导系数，定量解析各阶多体相互作用强度。[1]

实验做到哪一步

在400 MHz固态核磁共振谱仪上，团队用射频脉冲的Floquet调控，构造两种不同形式的有效哈密顿量并完成层析，重构结果与理论值的保真度分别达到99.3%和98.2%。实验还捕捉到显著高于噪声的高阶球张量分量；理论与数值模拟表明，这些信号来自高阶平均哈密顿量中的三体与四体相互作用——即方案不仅能测绘常规两体网络，也能刻画更弱的高阶多体结构。[1]

全程只需全局旋转与集体读出，无需微观单粒子寻址，也不必预先假设哈密顿量具体形式；测量资源随可测参数数目呈多项式级增长。团队认为，方法有望推广到中性原子、离子阱等平台，用于大规模量子模拟器的标定与验证。论文共同第一作者为中国科大博士生尹浩川、博士后李宇晨；共同通讯作者为彭新华教授与香港中文大学博士后吴泽。[1]

来源

[1] 中国科大利用量子热化实现固态系统中多体哈密顿量的实验层析，中国科大新闻网，2026年10月23日（核验2026-10-27）。论文：Physical Review Letters。

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