目前世界上最大时间晶体，量子计算机的福音

世界权威期刊，科学子刊-《科学进展》日前报道：澳大利亚的物理学家已经在半个地球之外对一台量子计算机进行了编程，以制造或至少模拟一个创纪录大小的时间晶体——一种锁定在时间上的永久循环的量子粒子系统，有点类似于原子的重复空间模式在一个实际的晶体中。

世界上最大的时间晶体

新的时间晶体由 57 个量子粒子组成，是谷歌科学家去年模拟的 20 个粒子时间晶体的两倍多。没有参与这项工作的微软凝聚态物理学家 Chetan Nayak 说，它太大了，传统计算机无法模拟它。 “所以，这绝对是一个重要的进步！这项工作展示了量子计算机模拟复杂系统的能力，否则这些系统可能只存在于物理学家的理论中。

时间晶体的概念出现在 10 年前，当时麻省理工学院获得诺贝尔奖的理论物理学家弗兰克·威尔切克 (Frank Wilczek) 对普通晶体中原子的惊人空间模式进行了思考。模式从何而来？原子间力的方程没有明确规定，这似乎允许任何原子以相等的概率出现在任何地方。相反，如果原子充分冷却，它会自发出现。一旦一些原子相互依偎在一起，那么下一个原子的位置就变得可以预测了，一种只隐含在力中的模式就会出现。

Wilczek 想知道类似的事情是否会及时发生。他设想了一个量子粒子系统，通过不随时间变化的力相互作用，以某种方式设法执行一些循环演化，即使在其能量最低的状态下也是如此。事实证明这是不可能的。然而，在 2016 年，两个不同的小组通过考虑一个受到一些外部刺激反复刺激的系统来重新提出这一概念。他们发现，在适当的条件下，它可以锁定一种随时间变化的模式，这种模式以不同的、比刺激更低的频率重复。

较低的频率响应是时间晶体的特征。该系统由一系列微小的量子力学磁体组成，这些磁体可以指向上、下，或者由于量子力学的奇怪规则，可以同时指向两个方向。在链条中，相邻的磁铁倾向于以相反的方向排列以降低它们的能量，而随机选择的局部磁场使每个磁铁倾向于指向更多的方向。稳定的磁脉冲流也会周期性地上下翻转磁铁，反之亦然。这个想法是，在适当的条件下，磁铁的任何配置都会反复翻转，每两个脉冲一次。实验者已经在从钻石中的电子到陷阱中捕获的离子再到量子计算机中的量子比特或量子比特的系统中证明了这一想法。 现在，墨尔本大学的理论家 Philipp Frey 和 Stephan Rachel 提供了一个更大的量子比特演示。他们使用 IBM 在美国制造和运行的量子计算机远程进行了模拟。可以同时设置为 0、1 或 1 和 0 的量子位可以被编程为像磁铁一样相互作用。研究人员发现，对于它们相互作用的某些设置，57 个量子位的任何初始设置，例如 01101101110……，都保持稳定，每两个脉冲返回到其原始状态，研究人员今天在《科学进展》上报告。

乍一看，这种观察似乎有点令人印象深刻。毕竟，如果磁铁不相互作用，每个脉冲都会将它们翻转 180 ，从而产生这种半频响应。然而，使该系统成为时间晶体的原因是磁铁之间的相互作用稳定模式的方式，哈佛大学凝聚态理论家多米尼克埃尔斯解释说。这使得系统不受缺陷的影响，例如脉冲不够长，无法完全翻转自旋。 “这确实是通过许多身体相互作用而稳定的物质阶段，”埃尔斯说。 奇怪的是，仅仅提高磁铁相互作用的强度是不够的。雷切尔解释说，相互作用也必须从一对邻居到下一个随机变化。他解释说，如果所有磁铁都以相同的强度相互作用，那么如果一个磁铁出错，可能会导致链条下游的其他磁铁也以错误的方式翻转。 Rachel 说，随机性实际上阻止了此类错误的传播并稳定了时间晶体。

超过 100 名研究人员在 Google 模拟中工作，而 Frey 和 Rachel 则独自进行更大的演示，并通过互联网将其提交给 IBM 计算机。 “只有我、我的研究生和一台笔记本电脑，”Rachel 说，并补充说“Philipp 太棒了！”他估计，整个项目耗时约 6 个月。

时间晶体模拟doi: 10.1126/science.adb1790

产生时间晶体的方法 Phys. Rev. Lett. 118, 030401 (2017).

Rachel 说，演示并不完美。他说，翻转模式应该无限期地持续下去，但 IBM 机器中的量子位只能保持足够长的时间来模拟大约 50 个周期。他指出，最终，相互作用的稳定效应可能被用来将一串量子比特的状态存储在一种量子计算机的内存中，但实现这样的进步还需要——还有什么？——时间。

时间晶体是一种打破热力学认知的物体，很多科学家都认为这种物质并不存在。

时间晶体从何来？ 时间晶体这一新奇的概念的最早可以追溯到2012年，由诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek最先提出。Wilczek教授表示，「时间晶体经历周期性运动，每隔一段时间就会回到最初的形态。」也就是说，它可以随着时间改变，但是会持续回到开始时的相同形态，如同钟表的指针周期性地回到原始位置。

时间晶体能自发打破被Wilczek称为「对称性之母」的时间平移对称性。但在2016年，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和微软的研究人员根据pi spin-glass phase提出了Floquet「时间晶体」的存在。他们考虑了从外部不断刺激该系统的方法。在合适的条件下，他们发现，这个系统可以锁进一个随时间变化而变化的结构中，以低于外部刺激的频率不断重复。而这种更低频率的反馈就是时间晶体的特征。 该系统由一串微小的量子物理磁铁构成，磁铁可以指上或者指下，甚至根据量子物理学的奇怪规则，还能两边同时指。 在这串磁铁当中，相邻的磁铁通常会以相反的方向排列，从而降低能量。而随机选择的一个局部磁场会让每一个磁铁能指向一个方向或另一个方向。

有了时间晶体，我们就有了永动机？

答案是否定的：时间晶体是一种量子粒子系统，被锁在一段永恒的时间循环中。这有点像原子在一个真实的晶体中不断重复的空间形态。新型时间晶体证明了量子计算机模拟复杂系统的能力。没有量子计算机帮助，新型时间晶体可能只会存在于物理学家的理论中。

当前，量子计算机的发展将允许物理学家提高对自然、科学的基本本质理解，时间晶体仅标志着这一令人兴奋的努力的开始。