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80多位物理学家参与论文撰写,谷歌称已用量子计算机造出时间晶体

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时间晶体即将诞生?

当地时间 7 月 28 日,谷歌在一篇预印本论文中表示,其首次使用 “悬铃木” (Sycamore)量子计算机创造出了 “真正的时间晶体”。


图 | 在不消耗能量的情况下时间晶体可在两种状态间来回翻转(来源:Quanta Magazine )

参与该研究的科学家超过 80 人,分别来自斯坦福大学、普林斯顿大学、MIT 和德国德累斯顿马普固体化学物理学研究所(德累斯顿)等科研院所,论文标题为《在量子处理器上观测时间晶体的本征态序》(Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor )。


图 | 论文作者多达八十几位(来源:arXiv )

论文作者之一的德累斯顿研究所物理学家罗德里希・莫斯纳( Roderich Moessner)告诉媒体:“这一结果是惊人的,我们逃避了热力学第二定律。”

此前,许多学者都在尝试模拟和制造时间晶体,但始终未能如愿。在谷歌量子计算机 “悬铃木”的帮助下,该团队实现了之前从未完成的实验,即模拟那些人类可以想象、但自然界可能永远不会存在的东西。


图 | 本征态中的序(来源:arXiv )

北京理工大学物理学院教授尹璋琦分析称,在 2017 年科学家已经观察到这类离散时间晶体。一般来说,给一个系统做周期性驱动,系统很快就会热化,它的运动也变得杂乱无章。

而离散时间晶体会长时间稳定,它并不会吸热,整个系统在外界驱动下不断地翻转,步调保持一致,不会变得杂乱无章。不仅如此,离散时间晶体还破缺了时间对称性,比如说外加驱动周期为 T 时,离散时间晶体翻转的周期为 NT,这里 N 是一个大于 1 的数。

以往的实验对于系统初态要求很苛刻,必须初始化到某个初态才能展现出离散时间晶体的特性。此次实验实现的离散时间晶体很稳定,更一般的本征态也可出现时间晶体。也就是说,本次成果展示了一个非平衡的、可长时间存在,且破缺了离散时间平移对称性的离散时间晶体。

目前还不清楚离散时间晶体是否有实际用途,但其稳定性和可预测性或许会成为突破口。

当它处于周期运动状态时,如果对其进行规律性观察,就会得到时间晶体的确定状态,这或可帮助量子计算机进行信息储存。还有一些科学家认为,时间晶体或将揭示时间本质的深刻含义。


(来源:arXiv )

巨头谷歌和物理学家的 “天作之合”

此次谷歌和科研院所的合作,可谓 “门当户对”。当时,前文所述的物理学家组成的时间晶体团队,找到了谷歌量子计算团队。

莫斯纳表示,2019 年他看到谷歌宣布 “悬铃木” 量子计算机成果时,就意识到 “悬铃木” 可能 “正是他的菜”。

巧的是,当时谷歌也在寻找能测试机器性能的任务,谷歌理论物理学家科斯佳・克切吉(Kostya Kechedzhi)表示,他们的工作是尝试将这台机器用作研究新物理、或新化学的科学工具。

但是,作为该公司第一台量子计算机成品,“悬铃木” 的运算错误率太高,难以运行专为成熟量子计算机设计的密码算法和搜索算法。因此,这支由世界顶尖物理学家组成的时间晶体团队、与谷歌一拍即合。


(来源:谷歌 )

量子计算机的主要优势在于,它能调整量子比特之间的相互作用强度,而它本身也由量子比特组成。

据悉,谷歌的量子比特由超导铝条组成,每个超导铝条都有两种可能的能量状态,因此可通过编程来表示粒子向上或向下的自旋,每个粒子都能同时保持两种可能状态,并被标记为 0 和 1。

而这种可调性,恰好是实现离散时间晶体的关键。研究中,该团队使用一个带有 20 个量子比特的芯片作为时间晶体,通过为每个初始配置运行数万次测试,并在运行不同时间间隔后、去测量量子比特的状态,借此可观察到在两个多体局域化状态间,自旋系统正在进行来回转换。


图 | 观察特征态顺序与瞬态现象的区别(来源:arXiv )

冰作为一种空间晶体,它的物质状态特点是极其稳定,只要不超过 0 摄氏度,即使出现温度大幅波动,冰仍然可以保持固态。类似的,研究人员发现微波脉冲只要在小于 180 度的范围内翻转自旋方向,自旋就能在两个脉冲后重返初始方向,就像小船在水面上回左摇右摆,只要船不翻,就能恢复姿势。

尹璋琦告诉 DeepTech,该成果属于基础研究,和老百姓的生活没有太大关系。其本质在于不光是验证一个基础问题,也在于测试量子计算机的性能。

据了解,谷歌为了做本次实验,特意提升了量子计算机的性能比如量子逻辑门的保真度等。通过一系列的标定和验证,最终有望让量子计算逐渐走向实用。

尹璋琦说自己一年前就看到了谷歌的理论方案,国内也有团队在做相关的实验研究。他还表示,国内的腾讯公司在超导量子计算实验上,已经发表过两篇论文,阿里巴巴、华为和百度等公司也有量子计算研究的相关团队。


图 | 通过量子典型性探测平均光谱效应(来源:arXiv )

时间晶体的 “前世今生”

时间晶体听起来很玄幻,但它既不是电影《复联》中的时间宝石,也没有穿越时空的力量,它是物理学家多年来正在努力创造的新物质状态,并且是一种不会自然存在的状态。

尹璋琦告诉 DeepTech:“时间晶体于 2012 年由诺奖得主、美国犹太裔理论物理学家弗朗克・韦尔切克(Frank Wilczek)提出。

和时间晶体对应的是空间晶体,盐、水晶和钻石等都是空间晶体,它们的表现在于一个原子在空间中周期性地排列,形成了空间上的结构。

韦尔切克认为,既然在空间中有结构,那么在时间中是否有结构?如果有的话,那么在时间中应该也能形成晶体,借此他提出了时间晶体的概念。”


图 | 弗朗克・韦尔切克(Frank Wilczek)(来源:资料图)

韦尔切克曾表示,这个想法是他在教授普通空间晶体课程时冒出来的,他说:“如果你从太空的角度思考晶体的构成,自然而然地就会想到时间是不是会影响晶体行为。”

但尹璋琦也表示,时间晶体也引起了较大争议,受限于理论原因,韦尔切克的最初设想很难做到。

后来,人们把时间晶体的概念做了推广,即由无外加驱动且处于平衡态的时间晶体,推广到周期性驱动下处于非平衡态的离散时间晶体。所谓离散时间晶体,指的是它能自发地破缺系统离散的时间平移对称性。


图 | 尹璋琦(来源:资料图)

说到这里尹璋琦打了个比方,处于离散时间晶体态的 “鼓”,敲它两下(或者更多)才会响一声,也就是说鼓的响应少于外界对它的驱动。假如驱动周期是一秒钟,而鼓震动的周期是两秒钟,也就是鼓不按照外界的驱动来走,这就等于鼓的时间平移性被破缺了。

简单来说,时间晶体一旦处于激活状态,不需要能量输入就可以不断地、有规律地 “左右横跳”。因为其运动具有周期性,所以在一个特定时间点观察时间晶体,就一定会得到期望看到的样子。

不同团队的殊途同归?

一直以来,关于时间晶体的研究,都有几条路线,其中有两条路线比较知名。

第一条路线发生在 2015 年,也是本次谷歌团队联合开发的路线。该团队发现,在特定方式下如果用激光刺激上述系统,粒子就会来回反复翻转,在两个截然相反的多体局域化状态之间,粒子会进行永远的重复循环,并且不会从激光中吸收任何净能量。

当时他们并未把该成果与 “时间晶体” 联系起来,只是发表了论文,并用 “第一个多体、非平衡的相” 阐述了这种新型物质状态,后来在一名审稿人的提醒下,他们才将该成果与 “时间晶体” 联系起来。


图 | 用于存放谷歌量子处理器的低温恒温器(来源:资料图)

第二条路线指的是,韦尔切克此前的学生、现为加州大学圣塔芭芭拉分校理论物理学家的切坦・纳亚克(Chetan Nayak),与马里兰大学的物理学家克里斯・门罗(Chris Monroe)联合使用电磁场来捕获和控制离子。2017 年,该团队的相关论文发表在 Nature 上。

尹璋琦评价称,2017 的实验只有十个量子比特,且只能在特定初态下看到离散时间晶体,系统稳定性不足。而本次的谷歌实验是三年前的后继,其更加符合理论构想和设计,即在更大的系统和更一般的初态中做出了时间晶体,也做出了一些非平衡的相变。

牛津大学凝聚态物理学家约翰・查尔克(John Chalker)持有相同观点,他告诉媒体:“有充分的理由认为,此前的实验都没有完全成功,量子计算机将特别适合此类工作,比那些早期实验做得更好。”

就在 2021 年 6 月,纳亚克团队在 Science 上发表论文称,他们用被捕获的离子实现了与时间晶体很相似的状态,其在两种状态之间转换的周期性变化,和真正的时间晶体非常相似。

这种状态不是永恒的,如果实验运行的足够长,系统就会趋于平衡,循环也会被破坏。纳亚克评价自己的成果称:“有了时间晶体,时间似乎突然与其他三个维度站在一起了。”

但也有人不同意这种说法,认为 “目前的时间晶体仍不能完美地统一时间和空间”。不过,在探索量子计算机的可能性的推动下,未来将出现更多讨论。凝聚态物理学的研究重点,也可能会从研究大自然赋予我们的东西,转变为想象量子力学允许的奇特物质形式。



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