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“以一瞬观万变”，这一源自中国古典哲学的至高理想，曾被视为人类理性难以企及的智慧彼岸。如今，在微观的量子世界中，这一遐想正逐步走向科学的视野。你是否想象过，存在一种方法，无需实时追踪每一个粒子的运动，就能推演它们未来的行为？这听起来仿佛科幻情节，但近期西湖大学理学院窦文杰团队及合作者中科大王尧提出的“记忆核耦合理论”，正将这一设想推向现实。
近日，该成果以“Memory Kernel Coupling Theory: Obtaining Time Correlation Function from Higher-order Moments”为题，发表在物理学顶刊Physical Review Letters上。
该理论尝试通过“快照”式的静态数据，高效重构量子系统的动态演化，有望为量子计算、材料设计和药物研发等领域带来全新思路。
西湖大学博士生柳伟、中国科学技术大学博士生苏禹为文章共同第一作者，西湖大学特聘研究员窦文杰和中国科学技术大学王尧为共同通讯作者。
论文地址：Memory Kernel Coupling Theory: Obtaining Time Correlation Function from Higher-Order Moments
在我们熟悉的理想量子系统中，粒子仿佛处于与世隔绝的实验室，不受外界干扰。然而现实中的量子系统其实是“开放”的——它们不断与周围环境交换能量与信息，正如一个人生活在喧嚣都市，时刻被外界因素影响。这种环境相互作用可能导致量子系统出现“退相干”和“耗散”，使其状态变得不稳定，也使得预测其行为极具挑战。
为了测量这些复杂系统，科学家引入了“时间关联函数”这一工具。它可以捕捉系统在不同时刻行为之间的内在联系。举个例子，假设在地铁站中，你注意到每次A入口有人跑进来，半分钟后B出口就有人跑出去——这种时间上的呼应，就类似于时间关联函数所刻画的模式。无论是分子受光激发后的振动，能量在材料中的传递，还是药物分子与靶点结合的过程，许多量子动态现象都能借此进行推测。
传统方法通常需要像拍摄连续影像那样追踪每一刻的变化，而窦文杰团队与合作者提出的新方法，则尝试仅凭一张“照片”还原整个“影片”。其中的关键，在于“记忆核”——它是描述量子系统“记忆效应”的核心概念，可以理解为系统过去经历如何影响当前行为的“记忆管理器”。正如一个人当下的情绪，不仅受眼前事件影响，也交织着昨日乃至上周的经历，量子系统当前状态也往往依赖于它的历史。
图1. 记忆核耦合理论示意图
更有趣的是，研究团队发现记忆核可被分解为许多细小的“记忆碎片”。同时，他们借助“矩”这一概念——可以看作是量子系统的“静态指纹”，通过分析系统在稳定状态下的多种属性，就像拍摄一张高清快照，即可提取这些矩值。正如描述一个人，身高体重这类“低阶矩”信息最关键，而指纹这类“极高阶矩”虽然独特，在日常生活中影响却很小。在量子系统中，高阶矩虽携带更精细信息，但对系统整体动态影响较小，因此仅需前几阶矩，往往就能较准确地描述系统行为。
记忆核耦合理论的基本流程包括：首先获取开放量子系统的稳态数据（单次计算），从中提取各阶矩值；然后利用矩值构建记忆核的耦合方程；最终推演出系统的时间关联函数与动态行为。整个过程，就如同法医学者通过一枚指纹，尝试还原嫌疑人的体貌特征一样，研究团队尝试从静态的矩值中，重建量子系统的动态历史。
本项研究得到了国家自然科学基金的资助，并得到了西湖大学高性能计算中心的支持。
