物理学家用量子计算机创造时间晶体

用来制造时间晶体的枫树芯片。资料来源:谷歌量子AI

全球都在努力设计一台能够利用量子物理学的力量进行空前复杂计算的计算机。尽管制造这种量子计算机仍存在巨大的技术障碍，但今天的早期原型机仍然能够实现非凡的成就。

例如，一种叫做“时间晶体”的新物质相的产生。就像晶体的结构在空间中重复一样，时间晶体在时间中重复，重要的是，它是无限重复的，而且不需要任何进一步的能量输入，就像一个没有任何电池永远运行的时钟。探索物质的这一阶段一直是理论和实验方面的长期挑战，现在终于有了成果。

在11月30日发表在《自然》杂志上的一项研究中，来自斯坦福大学、谷歌量子AI、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所和牛津大学的科学家小组详细介绍了他们使用谷歌的Sycamore量子计算硬件创造时间晶体的过程。

斯坦福大学(Stanford)博士后学者、该研究的联合首席作者马泰奥·伊波利蒂(Matteo Ippoliti)说:“总体而言，我们正在利用这些本应成为未来量子计算机的设备，把它们视为具有自身能力的复杂量子系统。”“我们将计算机作为一个新的实验平台来实现和检测物质的新相位，而不是计算。”

的团队,他们的成就不仅在于创造的兴奋物质但在开放的新阶段机会探索新的政权在凝聚态物理领域,研究这部小说现象和属性带来的集体许多对象的交互系统。(这种交互作用可以比单个对象的属性丰富得多。)

“时间晶体是一种新型物质非平衡量子相的显著例子，”斯坦福大学物理学助理教授、该论文的资深作者维迪卡·赫玛尼(Vedika Khemani)说。“虽然我们对凝聚态物理的大部分理解都是基于平衡系统，但这些新的量子器件为我们提供了一个迷人的窗口，让我们了解多体物理中新的非平衡状态。”

时间水晶是什么，又不是什么

制作这种时间晶体的基本成分如下:物理上相当于一只果蝇，还有能给它一脚的东西。物理学的“成果”是伊辛模型，它是一种用来理解各种物理现象(包括相变和磁性)的长期工具。伊辛模型由一个晶格组成，其中每个位置都被一种粒子占据，这种粒子可以有两种状态，即向上或向下自旋。

在读研究生期间，Khemani，她的博士导师Shivaji Sondhi(当时在普林斯顿大学)，以及Max Planck复杂系统物理研究所的Achilleas Lazarides和Roderich Moessner无意中发现了这个制作时间晶体的方法。他们正在研究非平衡多体局域系统——在这种系统中，粒子被“困住”在它们开始时的状态，而且永远不能放松到平衡状态。他们感兴趣的是，在这种系统中，当它们周期性地被激光“踢”时，可能会发展出哪些阶段。他们不仅找到了稳定的非平衡相，还发现了一种粒子自旋在模式之间翻转，在时间中永远重复，周期是激光驱动周期的两倍，从而形成了时间晶体。

激光的周期性跳动建立了一种特定的动力学节奏。正常情况下，旋转的“舞蹈”应该与这种节奏同步，但在时间水晶中却不是这样。相反，自旋在两种状态之间翻转，只有在被激光踢两次之后才能完成一个循环。这意味着系统的“时间平移对称性”被打破了。对称性在物理学中扮演着重要的角色，但它们经常被打破——这解释了规则晶体、磁铁和许多其他现象的起源;然而，时间平移对称之所以引人注目，是因为它不同于其他对称，它在平衡状态下不会被破坏。周期性的踢腿是一个让时间晶体成为可能的漏洞。

振荡周期翻倍是不寻常的，但并非史无前例。长寿命振荡在少粒子系统的量子动力学中也很常见。时间晶体的独特之处在于，它是一个由数百万个物体组成的系统，它们表现出这种协调一致的行为，没有任何能量进出。

“这是物质的一个完全稳健的阶段，在这个阶段，你不需要微调参数或状态，但你的系统仍然是量子，”牛津大学物理学教授、论文的合著者桑蒂说。“没有能量的输入，也没有能量的消耗，它会永远持续下去，它涉及到许多强相互作用的粒子。”

虽然这听起来很像“永动机”，但仔细观察就会发现，时间晶体不会破坏任何物理定律。熵——一种系统无序程度的量度——随着时间的推移保持稳定，不减少，勉强满足热力学第二定律。

在时间晶体计划的发展和量子计算机实验的实现之间，许多不同团队的研究人员的许多实验取得了不同的准时间晶体里程碑。然而，要为“多体局部化”(一种能使时间晶体无限稳定的现象)提供配方中的所有成分仍然是一个巨大的挑战。

对于Khemani和她的合作者来说，晶体成功的最后一步是与谷歌量子AI的一个团队合作。这组人员一起使用谷歌的Sycamore量子计算硬件，利用经典计算机的信息位(称为量子位)的量子版本，编写了20个“自旋”程序。

本月发表在《科学》杂志上的另一种时间晶体揭示了人们对时间晶体的兴趣有多么强烈。荷兰代尔夫特理工大学的研究人员利用钻石中的量子位制造了这种晶体。

量子的机会

由于量子计算机的特殊能力，研究人员能够证实他们声称的真实时间晶体。虽然有限的大小和相干时间(不完全)量子装置意味着他们的实验是有限大小和duration-so晶体振荡的时间只能观察到几百周期而不是无限期的研究人员设计了各种协议用于创建评估的稳定性。这包括在时间上向前和向后运行模拟，并缩放其大小。

“我们设法利用量子计算机的多功能性来帮助我们分析其自身的局限性，”论文的合著者、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所所长莫斯纳说。“从本质上讲，它告诉我们如何纠正其自身的错误，从而可以从有限时间观察中确定理想时晶行为的指纹。”

理想时间晶体的一个关键特征是它显示了来自所有状态的无限振荡。验证这种状态选择的稳健性是一个关键的实验挑战，研究人员设计了一个协议，在机器的一次运行中探测超过100万种状态的时间晶体，只需要几毫秒的运行时间。这就像从多个角度观察一个物理晶体，以验证其重复的结构。

“我们的量子处理器的一个独特特点是它能够创造高度复杂的量子态，”谷歌研究员、该论文的共同第一作者小米表示。“这些状态允许物质的相结构得到有效的验证，而不需要研究整个计算空间——否则是一项棘手的任务。”

创造物质的新阶段在基本层面上无疑是令人兴奋的。此外，这些研究人员能够这样做的事实表明，量子计算机在计算以外的应用中越来越有用。“我乐观地认为，有了更多更好的量子位元，我们的方法可以成为研究非平衡动力学的主要方法，”谷歌研究员、该论文的高级作者佩德拉姆·鲁山(Pedram Roushan)表示。

“我们认为，量子计算机目前最令人兴奋的用途是作为基础量子物理的平台，”伊波利蒂说。“有了这些系统的独特能力，你有希望发现一些你没有预测到的新现象。”