2026年10月5日——即使是最混沌的量子系统，也会保留自身过去留下的永久印记——一个“量子胎记”——且永不消退。坦佩雷大学、哈佛大学和德累斯顿工业大学的研究人员在他们最近的研究中发现了这一特征。这些发现为经典力学与量子力学之间难以捉摸的关系提供了新的启示。展望未来，这些量子胎记以及被称为“疤痕”的相关现象，最终可能被用来驱动下一代纳米电子器件。

把一滴牛奶搅入一杯茶中，它便永远消失了。漩涡变得模糊、扩散并趋于均匀，再怎么盯着杯子看，也无法告诉你那滴牛奶最初落在哪里。物理学家将这种不可预测、抹除记忆的行为简称为混沌，而人们解释日常世界的许多方式都以此为基础：热量在房间里扩散、烟雾弥漫空中、弹球从发射处一路叮当作响地弹开。

一项新研究表明，量子领域——原子与电子的世界——并不遵循这一规则。在那里，最早的瞬间会留下永远无法洗掉的印记。

“在日常生活世界中，混沌会抹去一切。我们发现的是，量子系统无法隐藏自己的起源，即使身处混沌之中，”坦佩雷大学计算物理实验室量子控制与动力学（QCAD）小组研究员、该研究主要作者之一 Joonas Keski-Rahkonen 博士说。

该团队利用物理学中一个久负盛名的试验场：一个球在带弯曲壁的桌子上无休止地弹跳，每次都反弹向新的方向——想象一张两端圆润的台球桌，物理学家称之为“体育场”。如果你追踪这个球足够久，它会到过桌子的每一处，不会留下任何关于它从何处开始的线索。但量子物体并不像台球那样运动。它们更像在水面扩散的涟漪，而物理学家所确定的是在这里而非那里找到它们的概率。

当研究人员把这样一个量子涟漪（物理学词汇中称为“波包”）释放到桌面上时，它在片刻之内就变得杂乱无章，在任意瞬间看起来都像完全随机的图案。然而，把这种看似毫无特征的运动在极长时间尺度上取平均后，却揭示出对系统自身早期历史的明显偏向：它回到原始状态的可能性，至少是处于任何其他可比状态的两倍。而且这种偏向不会消失。只要系统保持量子性，它就会一直存在。

这一结果推广了一个让物理学家着迷四十年的现象。1984 年，哈佛大学教授、这项新研究的合著者 Eric Heller 发现，量子系统有时会保留重复路径的异常清晰印记，这种反常现象被称为“量子疤痕”，长期以来一直被视为罕见的例外。新研究证明，疤痕只是一种普遍现象的特例：每个量子系统都带着自身起源的胎记。

Keski-Rahkonen 表示，该团队的目标是将其转化为一种通用方法，用来追问一个量子系统究竟能真正忘记自身历史的多少。 

“这件事的意义超出了教科书物理。它关系到量子系统如何达到平衡，以及我们熟悉的经典世界如何从量子力学规则中涌现出来。此外，如今的量子模拟器和纳米级电子器件已经小到足以让这些效应产生影响。例如，一个悄悄记住其起点的系统与一个遗忘起点的系统行为不同，这一点很重要，”他说。

这项研究 “Quantum Birthmarks: Ergodicity Breaking Beyond Scarring” 于 2026 年 9 月 10 日发表在 Physical Review X 上。它还在美国物理学会杂志 Physics 的一篇专题文章中得到重点介绍。 

在《今日物理》上阅读更多关于量子疤痕的内容。