世界最大时间晶体刷新破纪录，量子计算机再创奇迹

2021年7月，谷歌联合几十位物理学家首次用自家量子计算机造出了时间晶体。现在，来自墨尔本大学的物理学家称，已经打造出由57个量子粒子组成的时间晶体，是谷歌的2倍多。

晶体

在传统晶体中，粒子在空间中有规律地排列。在时间晶体中，粒子在时间中有规律地排列

物质存在于不同的“阶段”中，就像我们熟悉的水的三个阶段: 冰、水和蒸汽。一种材料可能具有非常不同的性质，这取决于在哪个阶段中发现它。传统的晶体——我们可以称之为“空间晶体”。晶体的特点是在空间中粒子的排列非常规则。

在时间晶体中，粒子不仅在空间上有规律地排列，而且在时间上也有规律地排列。粒子从一个位置移动到另一个位置，然后再移回来，没有减速或失去能量。

“时间晶体”这种新物质的产生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，重要的是，这种重复是无限的，而且没有任何进一步的能量输入——就像一个没有电池就永远运行的时钟。

时间晶体就像“永动机”一样，在各种状态之间能够永久往复地不断消耗能量。

科学家称，“我们已经用IBM量子计算机造出迄今为止最大的时间晶体，还是谷歌的2倍多。”

就连2016证明时间晶体存在的凝聚态物理学家Chetan Nayak表示，“这肯定是一个重大突破”。

研究成果突破

2位来自墨尔本大学的物理学家Philipp Frey和Stephan Rachel提供了一个更大的量子比特演示。研究成果于3月2日发表在《科学进展》（Science Advances）。论文题目为“Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer”。

论文摘要：“违反遍历性的非常规动力学相是近年来广泛研究的课题。周期性驱动的系统会由于热化而丢失其初始状态的所有记忆，但在存在多体局部化的情况下，这是可以避免的。离散时间晶体是一个被驱动系统，它的局部可见量自发地打破了时间平移对称，并无限期地保留了初始状态的记忆。在这里，我们报告了在一个最先进的量子计算机上观察到的一个离散时间晶体在由57个超导量子比特组成的链上。我们探讨了随机初始状态，并比较了消失和有限无序的情况，以区分多体局部化和预热动力学。我们进一步报道了离散时间晶体和热态之间动态相变的结果，这是通过系统的亚谐波频率响应的临界波动和自旋退极化的显著加速观测到的。”

由于新型的时间晶体很大，传统的电脑没有办法进行模拟。

研究者Frey和Rachel单独进行了这次大规模的实验，Rachel表示，“只有我，还有我的研究生Frey，另加一台笔记本电脑。实验大概持续了6个月。”

这次研究，科学家便使用了IBM最先进的量子计算机ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn远程模拟，并对57量子比特上的离散时间晶体（DTC）进行了观察。

相互作用

量子比特布局

量子比特可以同时设置为0和1或者1和0，通过编程使它们像磁铁一样相互作用。

研究人员表示，“对于它们相互作用的某些设置，研究人员发现，任何57个量子比特的初始设置，比如011011011110... ，都保持稳定，每两次脉冲都能恢复到原来的状态。”

这个结果好像有些平平无奇。毕竟，哪怕磁铁之间没有相互作用，脉冲也会让它们翻转180 ，产生一样的半频响应。

哈佛大学的一位凝聚态物理学家Dominic Else解释道，“是什么让这个系统成为时间晶体的呢？是磁铁之间相互作用的方式，这种方式让这种结构趋于稳定。”

这就使得这个系统不会受一些瑕疵影响，比方说，哪怕脉冲的长度不够，磁铁也能进行翻转。Else说，“这其实是一个物质的阶段。多体间的相互作用让它稳定下来。”

奇怪的是，单单提高磁铁间的相互作用力的强度是不够的。相邻的两个磁铁间的相互作用必须得随机的不同。如果所有的磁铁间的相互作用都一样强，那么有一个磁铁出错了，就会导致其它的磁铁出现翻转错误。

随机性避免错误传导

正是这种随机性，才不会让出现的错误传导，才能让时间晶体稳定下来。

Rachel表示，“实验并不是完美的。这种翻转的结构按理来说应该能无限的持续下去。但IBM的量子计算机的量子比特大概只能让这个结构保持稳定50个循环。”

最后，稳定的相互作用效果可能被应用在把一串量子比特的状态保留下来，作为量子计算机的一种存储方式。但是，最终实现这一点肯定会花费大量时间。

相关链接

[1].https://theconversation.com/an-ever-ticking-clock-we-made-a-time-crystal-inside-a-quantum-computer-178164

[2].https://news.stanford.edu/2021/11/30/time-crystal-quantum-computer/

[3].https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

[4].https://www.163.com/dy/article/H1HNAAV00511ABV6.html

[5].https://theconversation.com/an-ever-ticking-clock-we-made-a-time-crystal-inside-a-quantum-computer-178164