Science：量子计算机成功创造时间晶体

2021 年 11 月 20 日 学术头条

五年前，加州大学伯克利分校的物理学家 Norman Yao 首次描述了如何制造时间晶体，这是一种新的物质形式，其模式在时间而不是空间中重复。然而，与祖母绿或红宝石的晶体不同，这些时间晶体只能存在几分之一秒。

不过，时间晶体的时代已经到来。

Norman Yao

自 Yao 最初提出以来，层出不穷的新思路将时间晶体引导向许多不同的形式，每一种都有自己独特的机制使其保持稳定。借助新的量子计算架构，几个实验室已经接近于创造一个时间晶体的分体版本，它利用无序使周期性驱动的量子量子位保持在连续的亚谐波振动状态，但量子位只能在驱动周期中振荡。

上周发表在 Science 杂志上的一篇论文（Many-body-localized discrete time crystal with a programmable spin-based quantum simulator）中,他和他在 QuTech的同事们，建立了一个多体局部离散时间晶体，持续了大约8秒,对应800个振荡周期。他们使用了一种基于钻石的量子计算机。

QuTech 的 Joe Randall 说:“虽然一个完全隔离的时间晶体原则上可以永远存活的，但任何真正的实验实施都将由于其与环境的相互作用而衰减。”进一步延长时间晶体寿命是下一个前沿课题。

什么是时间晶体？

我们都已经非常熟悉这几种物质的基本状态——固体、液体、气体。

但是，它们远不是整个物质宇宙的全貌。迄今为止，科学家们已经发现（或创造）了数十种更奇特的物质状态，这些新发现通常带有神秘而奇特的名称：超流体、玻色-爱因斯坦凝聚态等等。

时间晶体，是过去的几年新出现的一种物质状态。世界各地的物理学家一直尝试构建它。

那么究竟什么是时间水晶呢？它听起来像是让时间机器运转的关键部件、某种未来派的电源，或者可能是失落的外星文明的人工制品。但对于科学家来说，时间晶体实际上是更微妙的东西：对物理定律的好奇。

例如钻石、祖母绿，甚至冰块，这些常规晶体具有的特质是，其原子以某种方式在空间中进行规则排列。而空间有三个维度，第四个维度则是时间。所以物理学家们想知道，晶体的原子是否可以按时间重复排列。

在实践中，它的工作原理是这样的。你创造了一种晶体，它的原子从一种状态开始，如果你用微调的激光轰击那个晶体，这些原子可能会翻转到另一种状态——然后翻转回来——然后再次翻转——等等。所有这些都不会真正从激光中吸收任何能量。

如果你退后一步，你刚刚创造的是一种物质状态，它永远处于运动状态，无限期地，不吸收任何能量。

这可不是一件小事。它违背了经典物理学最神圣的原则之一：热力学第二定律。该定律指出，熵或无序的数量总是趋于增加。把它想象成一个花瓶，在桌子边缘摇摇欲坠。宇宙的运行想把那个花瓶推倒，让它在地板上碎裂。要把它拼凑起来，你必须投入能量。

时间晶体实际上是一个相当新的想法，其理论在 2012 年由诺贝尔奖获得者物理学家 Franck Wilczek 首次提出。当时并非所有物理学家都接受该理论。

直到一些执着于此研究人员发现了新的可能。2016 年，马里兰大学的物理学家设法从镱原子集合中拼凑出一个原始的时间晶体。接下来，另一些学术团体在钻石内创造了时间晶体。

还有一群时间晶体“修补匠”做了一些不同的事情。他们求助于谷歌并使用量子计算机去发现时间晶体。

量子计算机基于量子力学的原理运行。在很多人眼里，量子力学是一种看似神秘的物理学，但却在最微小的尺度上引导宇宙。而量子计算机与我们日常使用的“经典”计算机最不同的是，它基于原子或粒子在看似不可能的距离上相互作用进行计算操作。

通过在量子计算机的处理器中排列粒子，可以真正研究微小粒子系统，这是一种强大的能力。

使用谷歌的量子计算机来制作时间晶体，将考验这种能力能强大到什么程度。

在这种情况下，物理学家可以获取原子，重新排列，然后用激光脉冲来驱动时间晶体。这种设置使研究人员能够制造出比之前任何时间晶体都大的时间晶体。

虽然许多以前的时间晶体是短暂的，并且在几个来回翻转周期内解体，但最新的时间晶体实验，科学家们对他们创造的东西的稳定性感到惊叹。

研究人员使用量子计算机创造了一种时间晶体，他们认为这在物理世界中牢固地建立了时间晶体。

用量子计算机打造时间晶体

这次的成果在今年夏天首次在 arXiv 上发布时，被谷歌、斯坦福和普林斯顿的研究人员使用谷歌的超导量子计算机 Sycamore 几乎同时实验重复出来。演示实验使用了 20 个由超导铝条制成的量子位，持续了大约八分之一秒。

谷歌量子计算团队在 2019 年首次实现了量子优越性，因超越常规计算机的能力登上了 Nature 封面。不过当时展示的算法是为了速度目标而设计的，并不具有基础科学探索意义。新的时间晶体研究标志着量子计算机第一次站在了前人无法企及的高度。

谷歌和 QuTech 的时间晶体都被称为物质的 Floquet 相，是一种非平衡物质。

QuTech 首席研究员 Tim Taminiau 表示:“多个实验突破同时发生，这是非常令人兴奋的。所有这些不同的实验相互补充。谷歌实验使用了两倍多的量子位；我们的时间晶体寿命要长 10 倍左右。”

Qutech 的团队以正确的方式操纵了 9 个碳-13 量子位，以满足形成多体局部时间晶体的物理规则。

“时间晶体可能是物质非平衡相最简单的例子，”加州大学伯克利分校物理学副教授 Yao 说，“QuTech 系统能够完美地探索其他非平衡现象，例如 Floquet 拓扑相。”

几个月前，在 Science 杂志上发表了另一项关于时间晶体的研究，也涉及到 Yao 的团队。

那次研究中，科学家观察到一种所谓的 prethermal 时间晶体，其中的次谐波振荡通过高频驱动稳定下来。这项实验是在马里兰大学门罗的实验室进行的，使用的是捕获原子离子的一维链，这个系统在五年前就观察到了时间晶体动力学的第一个特征。有趣的是，与代表固有量子 Floquet 相的多体时间晶体不同，prethermal 时间晶体可以作为物质的量子相或经典相存在。

当然，还有许多问题悬而未决。

时间晶体有实际应用价值吗?耗散能帮助延长晶体的寿命吗?更一般地说，受驱动的量子系统是如何以及何时达到平衡的?

报道的结果表明，固体中的自旋缺陷为实验研究这些重要且开放的统计物理学问题提供了一个灵活的平台。

加州大学伯克利分校的研究生 Francisco Machado 说:“将自旋与周围环境隔分离开来、同时仍然能够控制它们的相互作用的能力，为研究信息是如何保存或丢失的提供了一个令人振奋的机会。”

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