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title: "量子时间镜互动实验｜Sandbox Physics"
description: "散开的波，还能完整聚回来吗？ 让波包在球场里散开，再反演哈密顿量，沿原路重聚。给半场扭转相位：那一刻密度完全没变，最后的回声却被打破。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/loschmidt-quantum-time-mirror/"
last_modified: "2026-10-18"
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LOSCHMIDT 回声 / 相位记忆

# 量子时间镜

让波包在球场里散开，再反演哈密顿量，沿原路重聚。给半场扭转相位：那一刻密度完全没变，最后的回声却被打破。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

有限单粒子晶格模型中的理想哈密顿量符号反演。用相干相位印刻和反程势能扰动检验回声。不代表时间机器、实验硬件、退相干或热力学不可逆性的证明。

相干波场

与初始量子态的重叠概率

$0$

模型 · 对相位敏感

高度为站点概率的平方根，增益固定。金圈为初始区域。曲面是波函数诊断图，不是运动的物质薄膜。

正向展开 印刻相位 · 反演 反程重聚

$\tau=32$

01 / 完整过程

### 回声，要连相位一起回来。

青线为当前方案；珊瑚虚线为同初态的完美反演。拖动金色光标查看。

$\tau=Jt/\hbar$

02 / 相位

### 同样的亮度，可以藏着不同的态。

色相为复相位，亮度为振幅，色标固定。色相原点任意，相对相位才有物理意义。图上方为纵坐标正向。

0

$2\pi$

03 / 空间与时间

### 波的历史，在这里折返。

横向为从左到右的晶格列；纵向为时间，顶端 0、底端 64。颜色为模型位置边缘概率，使用固定平方根色标。

04 / 位置读出

### 一次制备，一个落点。

仅使用记录位置计数，除以总试次；采集前为空。金色区域固定，仅凭位置不能测得量子态重叠。

冻结在印刻瞬间：密度没变，相位变了

两图都位于中点，之间没有经过时间。增大相位旋钮：只有上半场改变色相，此时反程势能尚未作用。

印刻前

印刻后瞬间

$|e^{-i\phi}\psi_j|^2=|\psi_j|^2$

从波函数中抽样

## 把一个个落点，累积成图案。

0 / 8000

每次读出都来自演化到选定时刻的独立新制备。理想晶格位置测量，保留全部试次。模拟种子固定，重置可复现。

金圈内记录比例

$\text{—}$

95% Wilson 区间

$\text{—}$

金圈内模型概率

$\text{—}$

有效占据站点数

$\text{—}$

### 计数，是否跟上了波形？

金柱为横向位置记录频率，青线为模型边缘概率。纵轴为线性概率；晶格列编号从 0 到 63。

最近 20 条记录 · CSV 导出全部

| 试次 | $x/a$ | $y/a$ | 金圈内 |
| --- | --- | --- | --- |

模型、单位、数值诊断与来源

$$
H_0/J=4I-\sum_{\langle i,j\rangle}(|i\rangle\langle j|+|j\rangle\langle i|),\qquad\tau=Jt/\hbar
$$

有限正方晶格，间距 a、均匀跃迁 J、无相互作用。移除外部和障碍站点，边界处对角元仍为四，对应离散 Dirichlet 硬壁。定量结论限于此有限晶格；连续系统解释还需要独立的网格收敛检验。

$$
\psi_j(0)=C\exp\!\left[-\frac{(x_j/a+10)^2+(y_j/a+4)^2}{25}\right]e^{0.9i[(x_j/a+10)\cos\theta+(y_j/a+4)\sin\theta]}
$$

截断高斯波包仅在制备时归一化一次。横坐标向右、纵坐标向上；角度从横轴正向逆时针计。圆半径为 18；体育场两半圆中心横坐标为负 9 和正 9；矩形半宽 27、半高 18。障碍中心在 (4, 0)，长度均以晶格间距计。

$$
|\psi(2T)\rangle=e^{i(H_0+\epsilon G)T/\hbar}e^{-i\phi P_+}e^{-iH_0T/\hbar}|\psi(0)\rangle
$$

$$
JT/\hbar=32,\quad P_+=\sum_{y_j>0}|j\rangle\langle j|,\quad G_{jj}=e^{-[(x_j/a-6)^2+(y_j/a)^2]/18}
$$

中点之后，先印刻上半场，再在原哈密顿量加势能误差的整体负号下演化。显示的中点位于印刻前；下一帧已包含印刻。理想符号反演是模型假定，此处不设计实现硬件。高斯误差中心在 (6, 0)，正程没有该误差。

$$
\epsilon=0:\quad F(2T)=1-4p_+(1-p_+)\sin^2(\phi/2)
$$

反程势能误差为零时，印刻前的上半场概率给出最终重叠的独立精确检验。

$\text{—}$

$$
F(t)=|\langle\psi(0)|\psi(t)\rangle|^2,\qquad N_{\mathrm{eff}}=\frac{(\sum_jp_j)^2}{\sum_jp_j^2}
$$

金圈是以初始中心为圆心、半径四的区域。圈内位置计数与依赖相位的态保真度不同。颜色在站点概率 0.025 时饱和；场景高度为概率平方根的 24 倍。时空图在横向边缘概率 0.2 时色彩饱和。显示增益不改变演化或计数。

指数作用使用范数限制的子步，不重新归一化。不含环境、损耗、连续极限外推、混沌指数或热力学结论。抽样使用固定伪随机种子；区间仅反映试次不确定性。

$0$

[Doncheski et al. (2003) · Wave packets in two-dimensional quantum billiards](https://arxiv.org/abs/quant-ph/0307070)

[Wisniacki et al. (2001) · Sensitivity to perturbations in a quantum chaotic billiard](https://arxiv.org/abs/nlin/0111051)

物理教程

## 量子时间镜

**背景** 让波包在球场里散开，再反演哈密顿量，沿原路重聚。给半场扭转相位：那一刻密度完全没变，最后的回声却被打破。

**为什么值得理解** 沿着同一个量子态，走完一次因果实验。

先抓重点

- **核心问题**: 散开的波，还能完整聚回来吗？
- **一句话直觉**: 位置密度完全相同的态，可以有不同相位，产生不同回声。

### 核心数学模型

#### 演化同一个态

$$
|\psi(t)\rangle=e^{-iHt/\hbar}|\psi(0)\rangle
$$

所有曲面、诊断和抽样位置都来自此态。

#### 比较完整量子态

$$
F(t)=|\langle\psi(0)|\psi(t)\rangle|^2
$$

模型保真度包含相位；它不是起点附近的位置计数比例。

### 常见难点

#### 立体波形是诊断图

**容易误解** 粒子沿着一张物质曲面运动。

**正确理解** 粒子限于二维晶格；高度使用固定显示增益编码概率平方根。

#### 有限模型

**容易误解** 这些图像证明量子混沌或时间箭头。

**正确理解** 有限单粒子晶格模型中的理想哈密顿量符号反演。用相干相位印刻和反程势能扰动检验回声。不代表时间机器、实验硬件、退相干或热力学不可逆性的证明。

### 动手实验

1. 01

   #### 先看原因

   依次选择三个预设，再拖动完整时间轴。

   **应该观察到：** 理想反演恢复量子态；半场相位扭转破坏最终重叠。

2. 02

   #### 看相位

   切换相位着色，并检查球场下方的相位图。

   **应该观察到：** 色相依赖相位约定；空间相位差有意义，整体色相没有。

3. 03

   #### 采集证据

   采集位置、定格实验并导出全部试次。

   **应该观察到：** 记录频率趋近模型密度，却不能揭示全部相位。

物理结论

有限单粒子晶格模型中的理想哈密顿量符号反演。用相干相位印刻和反程势能扰动检验回声。不代表时间机器、实验硬件、退相干或热力学不可逆性的证明。

量子与场 · 入门路径

## 从一次测量开始

预测结果、采集计数，从一个量子比特走到波包、束缚态和双光子干涉。

[从这里开始 → **量子态与 Born 测量** 先预测一个概率，转动分析器，再与采集到的计数频率比较。 观察 · 15 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)

1. [1 量子态与 Born 测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)
2. [2 Stern–Gerlach 顺序测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/stern-gerlach-sequence/)
3. [3 波包传播与不确定性](https://sandboxphysics.com/zh/labs/wave-packet-uncertainty/)
4. [4 量子谐振子态工作台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-harmonic-oscillator/)
5. [5 路径标记与量子擦除](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-eraser/)
6. [6 Hong–Ou–Mandel 两光子干涉](https://sandboxphysics.com/zh/labs/hong-ou-mandel/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/quantum/#starter-path)