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  新智元报道  

编辑：桃子 拉燕

【新智元导读】2021年7月，谷歌联合几十位物理学家首次用自家量子计算子造出了时间晶体。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。

今天，时间晶体再次迎来新秀，登上了Sceince子刊。

 

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」。

 

突破在哪？

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位演示。

 

目前，最新研究Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer在3月2日发表在Science Advaces。

 

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

 

这种新型的时间晶体由57个量子粒子构成，是谷歌科学家去年模拟的20个量子粒子的时间晶体的2倍多。

 

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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。

 

 57个量子比特用于离散时间晶体（DTC）的模拟

 

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个量子位的初始设置，比如011011011110... ，都保持稳定，每两次脉冲都能恢复到原来的状态。」

 

量子比特可以取0和1之间各种复杂值

 

这么一看，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。

 

 

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。

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。

 

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。

 

 

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。

 

 

其实，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。

 

然而，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。

 

论文地址：https://arxiv.org/pdf/1603.08001.pdf

 

这一次，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。

 

 

稳定的磁脉冲流也会周期性地让磁铁翻转（下转上或上转下）。具体的思路是，在合适的条件下，磁铁的任何指向都会不断地翻转，每有两次脉冲就会翻转一次。

 

实验人员还在各种不同的系统都证实了这种思路。从钻石中的电子，到容器中的离子，再到量子计算机中的量子比特，无论是什么系统都可以。

 

去年，100多位研究人员参与了谷歌的时间晶体模拟，并称用谷歌量子计算机观察到了时间晶体。

 

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2107.13571.pdf

 

有了时间晶体，我们就有了永动机？

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。

 

 

量子计算机为物理学家提供了一个平台，来设计和研究在自然界中找不到的物质新状态。

 

当前，量子计算机的发展仍处于初级阶段。但随着改进，它们将允许物理学家提高对自然的基本理解。

 

反之，又能转化为技术创新，就像上个世纪的物理学促成塑造我们今天生活的数字革命一样。

 

而时间晶体仅仅标志着这一令人兴奋的努力的开始。

 

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

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