《Nature》最新研究成果：物理学家用量子计算机制造时间晶体

江苏激光联盟导读：

来自Taylor Kubota, Stanford University 的最新研究。

在11月30日发表在《Nature》杂志上的一项研究中，来自Stanford大学、Google Quantum AI、Max Planck复杂系统物理研究所和Oxford大学的科学家团队详细介绍了他们使用谷歌的Sycamore量子计算硬件创建时间晶体的过程。

斯坦福大学博士后学者、这项工作的共同主要作者Matteo Ippoliti说：“重要的是，我们正在将未来的量子计算机设备视为复杂的量子系统。”。“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阶段，而不是计算。”

用来制造时间晶体的谷歌Sycamore芯片。来源：Google Quantum AI

全球都在努力设计一台能够利用量子物理能力进行空前复杂计算的计算机。尽管制造这样的量子计算机还面临着巨大的技术障碍，但今天的早期原型机仍然能够创造出非凡的成就。

例如，物质的一个新阶段被称为“时间晶体”的创造就像晶体的结构在空间中重复一样，时间晶体也在时间中重复，更重要的是，它的重复是无限的，没有任何进一步的能量输入，就像一个没有任何电池的时钟一样。实现物质这一阶段的探索在理论和实验上都是一个长期的挑战，现在终于取得了成果。

一个艺术家对离散时间晶体的印象，它由9个量子位组成，由金刚石中9个碳-13原子的核自旋表示。自旋连接的链被锁定在一个相位，在这个相位中，它们周期性地反转它们的状态。来源：Joe Randall and Tim Taminiau, courtesy of QuTech

对于该团队来说，他们的成就所带来的兴奋不仅在于创造了物质的新阶段，还在于为探索凝聚态物理领域的新机制开辟了机会。凝聚态物理研究系统中许多物体的集体相互作用所带来的新现象和性质。（此类交互可能比单个对象的属性丰富得多。）

斯坦福大学物理学助理教授、论文资深作者Vedika Khemani说：“时间晶体是一种新型非平衡量子相物质的显著例子。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进入多体物理中新的非平衡状态的迷人窗口。”

时间水晶是什么，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，还有一些东西可以让它兴奋起来。物理学的“果蝇”是Ising模型，它是理解各种物理现象（包括相变和磁性）的长期工具。Ising模型由晶格组成，其中每个位置都被一个粒子占据，该粒子可以处于两种状态，表示为自旋向上或向下。

在她的研究生阶段，Khemani和她的博士导师Shivaji Sondhi(当时在普林斯顿大学)，以及Max Planck Institute for Physics of Complex Systems的AchilleasLazarides和Roderich Moessner无意中发现了制造时间晶体的方法。他们正在研究非平衡的多体局部系统——在这些系统中，粒子会“卡在”它们开始时的状态，并且永远不会放松到平衡状态。他们感兴趣的是，当这些系统被激光周期性“踢”时，它们可能会发展成的阶段。他们不仅找到了稳定的非平衡相，他们还发现了一个粒子的自旋在模式之间翻转的过程，这种模式在时间上永远重复，周期是激光驱动周期的两倍，从而形成了时间晶体。

周期性驱动的系统。

激光的周期性冲击为动力学建立了一种特定的节奏。正常情况下，自旋的“舞蹈”应该与这个节奏同步，但在时间晶体中却不是这样。相反，自旋在两种状态之间翻转，只有在被激光踢两次后才能完成一个循环。这意味着系统的“时间平移对称”被打破了。对称性在物理学中起着至关重要的作用，但它们经常被打破——解释规则晶体、磁体和许多其他现象的起源;然而，时间平移对称之所以突出，是因为它不像其他对称，在平衡状态下不会被打破。周期性冲击是一个漏洞，使得时间晶体成为可能。

振荡周期加倍是不寻常的，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，你不能微调参数或状态，但你的系统仍然是量子的。”牛津大学物理学教授、论文的合著者Sondhi说，“没有能量的供给，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。”

离散时间晶体中的密码平衡。

虽然这听起来可能有点像“永动机”，但仔细一看就会发现，时间晶体并不违反任何物理定律。熵——系统无序程度的一种度量——随着时间的推移保持稳定，由于不减少而略微满足热力学第二定律。

在这个时间晶体计划的发展和将其变为现实的量子计算机实验之间，许多不同的研究团队进行了许多实验，取得了各种几乎是时间晶体的里程碑。然而，提供“多体定位”(使时间晶体无限稳定的现象)配方中的所有成分仍然是一个突出的挑战。

对于Khemani和她的合作者来说，计时水晶成功的最后一步是与谷歌量子人工智能团队合作。这个小组一起使用谷歌的Sycamore量子计算硬件，用经典计算机的量子版本的信息位(被称为量子位)编写了20个“自旋”程序。

本月《Science》杂志发表了另一篇时间晶体文章，揭示了目前人们对时间晶体的兴趣有多么浓厚。这种晶体是Delft University of Technology的研究人员利用钻石中的量子位元创造出来的。

实验演示。报道了两个自旋系统中离散时间-晶体序的首次特征。

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所声称的真正的时间晶体。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，”Moessner说，他是这篇论文的合著者，同时也是Max Planck复杂系统物理研究所的主任。“它本质上告诉我们如何修正它自己的错误，这样就可以从有限时间的观察中确定理想时间结晶行为的指纹。”

理想时间晶体的一个关键特征是它表现出所有状态的无限振荡。验证这种对状态选择的稳健性是一项关键的实验挑战，研究人员设计了一种协议，在机器的一次运行中，只需几毫秒的运行时间，就可以探测他们的时间晶体中超过一百万种状态。这就像从多个角度观察一个物理晶体，以验证其重复结构。

“我们的量子处理器的一个独特特性是它能够创造高度复杂的量子态，”谷歌的研究人员、论文的共同第一作者Xiao Mi说。“这些状态可以有效地验证物质的相结构，而不需要研究整个计算空间——否则这是一项棘手的任务。”

从根本上来说，创造一种物质的新阶段无疑是令人兴奋的。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。“我很乐观，有了更多更好的量子位，我们的方法可以成为研究非平衡动力学的主要方法，”谷歌的研究员、论文的高级作者Pedram Roushan说。

“我们认为，目前量子计算机最令人兴奋的用途是作为基础量子物理的平台，有了这些系统的独特功能，你可能会发现一些你没有预料到的新现象。”研究人员称。

来源：Time-Crystalline Eigenstate Order on a QuantumProcessor, Nature (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w

江苏激光联盟陈长军原创作品！