使用新的量子计算架构来创造时间晶体

这是一幅由9个量子位元组成的离散时间晶体的艺术家图像，由钻石中9个碳-13原子的核自旋表示。连接的自旋链被锁定在一个阶段，在这个阶段它们周期性地倒转它们的状态。资料来源:Joe Randall和Tim Taminiau，由QuTech提供

加州大学伯克利分校的物理学家诺曼·姚五年前首次描述了如何制造时间晶体——一种新的物质形式，其模式在时间而不是空间中重复。然而，与祖母绿或红宝石的晶体不同，这些晶体只存在了几分之一秒。

但是时间晶体的时代已经到来。自姚的最初提议以来，新的见解导致时间晶体有许多不同的形式，每一种都有自己独特的机制稳定下来。

利用新的量子计算架构，几个实验室已经接近于创造一个时间晶体的多体局部版本，它利用无序使周期性驱动的量子量子位元保持在连续的亚谐波振动状态——量子位元振荡，但仅在驱动的其他周期中。

上周发表在《科学》杂志上的一篇论文中,他和他的同事们QuTech-a代尔夫特理工大学和TNO之间的合作,一个独立的研究小组在Netherlands-reported建立多体的局部离散时间晶体,持续了大约8秒,对应800年振荡周期。他们使用了一种基于钻石的量子计算机，其中的量子位——量子位，数字计算机中二进制位的模拟——是嵌在钻石中的碳13原子的核自旋。

QuTech公司的乔·兰德尔说:“虽然一个完全隔离的时间晶体原则上可以永远存活，但任何真正的实验实施都将由于与环境的相互作用而衰减。”“进一步延长寿命是下一个前沿。”

今年夏天首次在arXiv上发布的结果，在谷歌、斯坦福和普林斯顿的研究人员使用谷歌的超导量子计算机Sycamore几乎同时进行的实验中得到了复制。这次演示使用了20个由超导铝条制成的量子位元，持续了大约八分之一秒。谷歌和QuTech的时间晶体都被称为物质的Floquet相，是一种非平衡物质。

QuTech首席研究员蒂姆•塔米尼奥(Tim Taminiau)表示:“多个实验突破同时发生，这是非常令人兴奋的。”“所有这些不同的平台相互补充。谷歌实验使用了两倍多的量子位;我们的时代水晶寿命要长10倍左右。”

Qutech的团队以正确的方式操纵了9个碳-13量子位元，以满足形成多体局域时间晶体的标准。

“时间晶体可能是物质非平衡相最简单的例子，”加州大学伯克利分校物理学副教授姚说。“QuTech系统可以完美地探索其他非平衡现象，例如Floquet拓扑相。”

几个月前，在《科学》杂志上发表了另一项关于时间晶体的研究，也涉及到姚的团队。在那里，研究人员观察到一种所谓的预热时间晶体，其中的次谐波振荡通过高频驱动稳定下来。这项实验是在马里兰大学门罗的实验室进行的，使用的是捕获原子离子的一维链，这个系统在五年前就观察到了时间晶体动力学的第一个特征。有趣的是，与代表固有量子Floquet相的多体定域时间晶体不同，预热时间晶体可以作为物质的量子相或经典相存在。

许多悬而未决的问题仍然存在。时间晶体有实际应用吗?耗散能帮助延长晶体的寿命吗?更一般地说，受驱动的量子系统是如何以及何时达到平衡的?报道的结果表明，固体中的自旋缺陷是一个灵活的平台，实验研究这些重要的开放问题的统计物理学。

加州大学伯克利分校的研究生Francisco Machado说:“将自旋与周围环境隔离开来的能力，同时仍然能够控制它们的相互作用，为研究信息是如何保存或丢失的提供了一个惊人的机会。”“看看接下来会发生什么，将是非常有趣的。”