近日，科學(xué)家已經(jīng)成功打造出由57個量子位組成的時間晶體，其量子位數(shù)量是谷歌時間晶體的兩倍多。

2021年11月，谷歌團(tuán)隊(duì)利用超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”(Sycamore)實(shí)現(xiàn)了由20個量子位組成的時間晶體。

本次，澳大利亞墨爾本大學(xué)的兩位物理學(xué)家使用鏈狀的57個超導(dǎo)量子位組成離散時間晶體(DTC)，成為目前世界上最大的時間晶體。相關(guān)研究成果3月2日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advaces)。

微軟公司凝聚態(tài)物理學(xué)家Chetan Nayak評價道，此次量子位數(shù)量是如此龐大，傳統(tǒng)計算機(jī)無法進(jìn)行模擬，“所以這絕對是一項(xiàng)重大突破”。這項(xiàng)研究展示了量子計算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)的能力，否則這些復(fù)雜的時間晶體系統(tǒng)可能只存在于物理學(xué)家的理論中。

藝術(shù)家對時間水晶的描繪，圖片來自GOOGLE QUANTUM AI

“時間晶體”的來源

“時間晶體”(Time crystal)這一概念最早由諾貝爾物理學(xué)獎得主Frank Wilczek在2012年提出。Wilczek認(rèn)為，時間晶體這一新物質(zhì)相，可以自發(fā)打破時間平移對稱性，即時間晶體經(jīng)歷周期性運(yùn)動，每隔一段時間就會回到最初形態(tài)。

簡單來說，類似于水晶的結(jié)構(gòu)在空間中不斷重復(fù)，時間晶體在時間上呈周期性重復(fù)——它不需要任何進(jìn)一步的能量輸入就能夠無限重復(fù)，就猶如一座“永動機(jī)”。

Wilczek所提出的“時間晶體”可以具體稱為連續(xù)時間晶體(Continuous Time Crystal)。此后，法國萊布尼茨獎得主Patrick Bruno提出這一量子時間晶體模型并不能成立，日本物理理論學(xué)家Haruki Watanabe等也證明了在熱力學(xué)極限下不存在量子時間晶體。

直到2015年，波蘭物理學(xué)家Krzysztof Sacha第一次明確引入離散時間對稱性自發(fā)破缺的概念，離散時間晶體理論的發(fā)展呈現(xiàn)一片欣欣向榮。

最大時間晶體面世

當(dāng)一百多名研究人員致力于谷歌量子計算機(jī)的模擬工作時，墨爾本大學(xué)的Philipp Frey和Stephan Rachel獨(dú)立完成了本次研究。

二人使用IBM最先進(jìn)的量子計算機(jī)ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn進(jìn)行遠(yuǎn)程模擬，對57個量子位組成的離散時間晶體展開觀察?！埃ㄕ麄€實(shí)驗(yàn)）只有我、我的研究生和一臺筆記本電腦?！盧achel表示整個研究項(xiàng)目持續(xù)了半年左右。

57個黑色量子位用于模擬離散時間晶體(DTC)，圖片來自論文

由于量子的疊加特性，量子位可以同時設(shè)置為0、1或者0和1，通過編程使其像磁鐵一樣相互作用。

研究人員表示，在量子位相互作用的某些設(shè)置中，任何57個量子位的初始設(shè)置（比如011011011110... ）都保持穩(wěn)定，每兩次脈沖就會回到原始狀態(tài)。

乍一看，這一觀點(diǎn)似乎平平無奇。畢竟，哪怕磁鐵沒有相互作用，每一個脈沖都會使它們翻轉(zhuǎn)180度，產(chǎn)生這種半頻響應(yīng)。但哈佛大學(xué)凝聚態(tài)理論學(xué)家Dominic Else解釋道，正是相互作用穩(wěn)定了時間晶體的結(jié)構(gòu)，才使該系統(tǒng)成為時間晶體。這使得系統(tǒng)對一些缺陷免疫，例如即使在脈沖不夠長的情況下，也能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。“這其實(shí)是物質(zhì)的一個階段，通過多體間的相互作用來使其穩(wěn)定?！盓lse說道。

但是，只提高量子位相互作用的力度是不夠的。Rachel解釋說，這種相互作用也必須隨機(jī)地根據(jù)一對相鄰量子位的變化而變化。例如，如果所有的磁鐵都以相同的力度相互作用，那么其中一個磁鐵出了問題，就可能導(dǎo)致鏈條上其他磁鐵也翻轉(zhuǎn)到錯誤的方向。隨機(jī)性則阻止了這種錯誤，并使時間晶體穩(wěn)定。

他認(rèn)為目前的實(shí)驗(yàn)還不夠完美，這種翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該會無限期地持續(xù)下去，但I(xiàn)BM量子計算機(jī)中的量子位元只夠模擬大約50個周期。

Rachel認(rèn)為，時間晶體最終可能被用來儲存一串量子位元的狀態(tài)，成為量子計算機(jī)的一種存儲方式。但實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)突破，還需要更多的時間。