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近百人联手发文!谷歌用量子计算机造出“时间晶体”,颠覆热力学第二定律

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根据最新发表的一项联合研究,谷歌的量子计算机已经被用来构建一个“时间晶体”(Time Crystal),一个颠覆热力学第二定律的物质新阶段。


时间晶体在2012年首次被提出,它指的是一种连续运行的不平衡系统。与处于热平衡状态的其他物质相不同,时间晶体是稳定的,但组成它们的原子却在不断演化。就像一台永动机,时间晶体永远在状态之间循环而不消耗能量。

不过,自其被假设以来,一直都只是理论上的。科学家们对于这种事情在现实中是否真的可能,至今仍存在分歧。

7月28日,谷歌的研究人员与普林斯顿、斯坦福和其他大学的物理学家一起,在题为“Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor”的预印本论文中声称,谷歌的量子计算机项目完成了许多人认为不可能完成的任务。这篇具有里程碑意义的论文,作者数量也将近达100多人。


预印本是在经过同行评审和完整出版之前发表的学术论文的版本;因此,在审查过程中,他们的发现可能会受到挑战,甚至被完全推翻。

“我们的工作采用了一个时间反转协议,区分外部退相干和固有热化,并利用量子典型化来规避密集采样本征谱的指数成本,”这篇论文指出。“此外,我们通过实验有限尺寸分析确定了DTC外的相变位置。这些结果为研究当前量子处理器上物质的非平衡相建立了一种可扩展的方法。”

在过去的五年里,研究人员一直在争分夺秒地制造时间晶体,但之前的演示尽管在他们自己看来是成功的,却未能满足确定时间晶体存在的所有标准。

时间晶体基本上由三个核心元素组成:首先,一排各自有磁性方向的粒子,被锁定在一种低能量和高能量构型的混合物中。这就是所谓的“多体定位”(many-body localization)。

翻转这些粒子的所有方向——有效地创建了一个镜像版本——被称为本征态序(eigenstate order)。它实际上是一个次级多体局域态。

最后是激光的应用。这导致状态循环——从正常状态到镜像状态,然后再循环——但实际上并不使用激光本身的净能量。这一结果被称为Floquet时间晶体,于2016年首次提出。

谷歌的量子计算机被称为“悬铃木”(Sycamore),它能够使用含有20个量子位元或可控量子粒子的芯片,每个量子位元可以同时保持两种状态。通过调整单个量子比特之间的相互作用强度,研究人员可以随机化相互作用,实现多体定位。然后微波将粒子倒转到它们的镜像方向,但没有自旋变化,从激光本身获取净能量。

这使得时间晶体的理论研究和可能的应用仍不清晰。目前,根据研究人员的说法,主要的含义是“有一个可扩展的方法来研究当前量子处理器上的物质非平衡相”;简而言之,这表明量子计算机至少可以用于这方面的工作。

研究量子计算机及其大量理论的实际应用,一直是钻研该技术的公司面临的一个普遍问题。今年早些时候,谷歌就其量子项目可能实现的目标做出了一些大胆的预测,指出改进电池、制造更有效的药物和疫苗、以及生产更有效的肥料都是此类研究的可能结果。作为计划的一部分,该公司表示,他们正在研发一台高达100万物理量子位的量子计算机,不过也承认,要想搞清楚这台计算机是如何构造的,还需要数年时间。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://www.slashgear.com/googles-quantum-computer-supposedly-just-made-a-time-crystal-30684692/

https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/

https://arxiv.org/pdf/2107.13571.pdf

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