斯坦福物理学家借助谷歌量子计算机创建了时间晶体

2021年12月01日 18:44 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

虽然听起来很像是电子游戏里的产物,但现实世界里确实有“时间晶体”(Time Crystal)这种奇特的物质。早在几个月前,就已经有报道称谷歌将在量子计算机上运用这项技术。现在,我们可以更确切地知晓它已被用于 Google 的 Sycamore 量子处理器。

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(Google Quantum AI 芯片)

据悉,规则晶体的特点是以高度有序的原子结构重复出现。但科学家提出了一个假设,若这些原子可在空间维度上重复,那是否有种晶体会以随时间重复的模式而存在呢?

早在 2012 年,诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)就假设所谓的时间晶体可能存在。但直到 2016 年,研究团队才在实验室中加以证明。

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后续研究则将更多精力放在了晶体的生长上,以及观察它们之间的相互作用。可知在时间晶体中,原子以周期性重复的模式运动,而我们可以根据它们的自旋来预测上下翻转。

奇怪的是,这种节奏并不遵循着启动频率。而在一套完美的系统中,原子可在没有任何进一步输入的情况下,永远保持着它的节奏。

时间晶体可在不消耗能量的情况下,于两种状态间来回翻转。

如果用日常生活中的事务来举例,我们可将时间晶体看做一个奇怪的明胶碗。在你拨动了它之后,预期中肯定会希望它在摇晃几秒钟后停下,然后你又可以再次拨动。

然而时间晶体的独特之处,在于你只需轻轻拨动两下,它就会在摇晃和不摇晃的状态间,持续交替变化下去。虽然听起来像是个接近“永动机”的悖论,但时间晶体在技术上并未违反热力学定律。

哈佛大学研究团队指出,能量在整个系统中依然守恒 —— 只是熵(一种无序的度量)没有减少,而是保持不变。

以 Google 的 Sycamore 量子处理器为例,为启动时间晶体,研究团队用激光破坏了 20 个量子比特的晶格。

然后每两次激光脉冲,量子比特只会发生一次自旋翻转 —— 这打破了时间平移的对称性,并创建出了时间晶体。

更重要的是,这是晶体首次表现出‘多体定位’(many-body localization),这种现象使它们保持着稳定。

在这场特殊的实验期间,科学家们只对这个系统保持了数百个周期的观察。但他们表示,理论上是可以借助量子计算机本身运行的模拟,来验证时间晶体的长期稳定性的。

截图(来自:Nature

研究合著者罗德里奇·莫斯纳(Roderich Moessner)表示:

我们设法利用量子计算机的多功能性,来帮助我们分析其自身的局限性。它基本上能够高速我们如何纠正自己的错误,以便通过有限时间的观察,来确定理想状况下的时间-结晶模式。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然》杂志上,原标题为《Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》。

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