突破性研究发现：奇异"时间晶体"可用作量子计算机存储器

突破性研究发现显示，基于磁振子的时间晶体能够与机械波相互作用而保持不破坏。

新研究表明，时间晶体有望帮助创建能持续数分钟的量子计算数据存储器 —— 相较于现有仅能维持毫秒级的量子数据存储时长，这是一个巨大的进步。

在这项新研究中，科学家们就时间晶体如何与机械波相互作用进行了实验。尽管时间晶体被广泛认为极其脆弱，但研究人员证明，他们可以将时间晶体与机械表面波耦合，而不会破坏时间晶体。

"对我来说，这是最有趣的部分，"该研究的合著者、芬兰阿尔托大学院士研究员杰雷·迈基宁告诉媒体。"关键在于，你确实能以显著的方式将时间晶体与另一个系统耦合，并利用时间晶体固有的鲁棒性。"

研究人员在10月16日发表于《自然通讯》期刊上的一项研究中描述了他们的发现。

在时间晶体研究中掀起波澜

传统的晶体结构在空间中具有规则排列的原子或分子，而时间晶体则是在规则的时间间隔后恢复到某种特定状态。这与钟摆不同，例如，钟摆的摆动频率仅仅反映了在重力与张力方向变化相抗衡时，振荡向下力的频率。对于时间晶体而言，尽管在实践中需要某种初始触发使其开始运动，但其周期性是自发获得的，没有任何东西以该频率驱动它。

自2012年首次被提出以来，已有多种可作为时间晶体的装置被报道。迈基宁和他的合作者基于一种称为磁振子的准粒子（一种在名为"自旋"的量子属性值中的集体波）构建了他们的时间晶体。他们在"超流体氦-3"（其原子核有两个质子和一个中子，因此原子核中粒子的自旋无法相互抵消）中创建了磁振子。

他们将氦-3冷却到低温，使得原子的动力学行为导致它们有效地相互吸引（尽管很弱），并重组为称为库珀对的准粒子。作为库珀对，这些准粒子被限制在仅一个可用的量子态上，从而消除了流体的粘度。

结果发现，用机械表面波来回晃动超流体氦-3会对它产生一个有趣的影响，这归根结底是表面对库珀对的自旋和轨道角动量的影响，而这些属性正是用来表征超流体的。为了想象这一点，可以考虑墙壁对系在绳子末端旋转的球可能轨道的影响：在自由空间，球的轨道可以在三维空间中任意取向，但将其靠近墙壁，其中一些轨道就不再可能实现。

迈基宁和他的合作者认识到这会影响磁振子时间晶体的周期。在他们的实验中，他们发现时间晶体能在这种相互作用下存活长达几分钟。这表明，通过类似的相互作用，将量子计算机的数据耦合到时间晶体中进行存储是可能实现的。

在量子计算机中，每个量子比特可以同时处于两种二进制状态的叠加态，这是理论上更高处理能力的基础。因此，量子计算机中的存储器必须存储能保持量子比特状态这种不确定性质的数据。

当今量子计算机中的存储技术通常使用自旋方向来存储数据，但这些自旋状态很容易受到环境干扰（如热噪声）的影响而破坏。这些干扰会促使它们进入某一个可能的状态，意味着所存储数据的量子特性会丢失。因此，自旋量子存储器仅能持续几毫秒。

相比之下，迈基宁和他的合作者创造的磁振子即使在机械表面波的干扰下也能持续数分钟。由于表面波在磁振子时间晶体频率上留下了印记，它可以用来"写入"待存储的量子数据。随着量子存储器寿命的延长，在数据恶化之前，可以对数据执行更多的量子处理操作，从而允许完成更复杂的任务。

教科书式的类比

在查看了实验数据后，该团队还发现了与光力学（研究光与机械谐振器相互作用的领域）的若干相似之处。一个例子是光子撞击连接到弹簧上的镜子所产生的难以察觉的影响：当光子从镜子上反射时，弹簧会获得或失去能量。

在时间晶体和光力学之间进行类比，可以从成熟的光力学领域揭示出可适用于受机械波影响的时间晶体的理论，为理解这些相互作用提供了一个有利的开端。

"光力学在物理学的许多领域中都是一个非常普遍的主题，因此你可以在各种各样不同的系统中应用它，"迈基宁说。

同样研究时间晶体和光力学但未参与该研究的南安普顿大学物理学和天文学教授尼古拉·热卢杰夫称这项研究"很有趣"。他在发给媒体的一封电子邮件中表示："它为非平衡系统物理学开辟了一个研究方向，对推进量子传感和量子控制具有潜在意义。"

迈基宁表示，他渴望探索不同类型的装置来与时间晶体进行机械耦合，例如使用纳米制造的机电谐振器，其质量将远低于超流体表面波。"显而易见的想法是真正走向量子极限，看看我们能将其推进到多远，"他说。

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