時間晶體是一種神秘的物質(zhì)。

理論上，它可以在不同狀態(tài)之間進行重復的循環(huán)運動，而永遠不會消耗能量，就像一只手表在沒有電池的情況下永遠運行一樣。

長久以來，科學家們一直在爭先恐后地想辦法創(chuàng)造這一物質(zhì)。

2021年11月30日，谷歌量子AI的研究人員利用Sycamore量子計算機創(chuàng)造出的時間晶體登上《Nature》。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w

經(jīng)典計算機通過開關(guān)晶體管來表示數(shù)據(jù)1和0，而量子計算機則使用量子比特來表示。由于量子力學的性質(zhì)，量子比特可以同時表示1和0的疊加狀態(tài)。

基于一種被稱為「糾纏」的量子效應，一臺擁有300個量子比特的量子計算機理論上可以在一瞬間完成比可見宇宙中的原子數(shù)目更多的計算次數(shù)。

在今年這項新的研究中，谷歌的研究人員便使用了20個量子比特的系統(tǒng)，目的倒不是為了計算，而是為了造出時間晶體。

近日，IEEE對谷歌研究科學家Kostyantyn Kechedzhi和谷歌高級研究科學家Xiao Mi進行了采訪，他們分別在理論和實驗方面進行了大量研究。

本文一作Xiao Mi于2012年獲得康奈爾大學工程物理學學士學位，于2018年獲得普林斯頓大學物理學博士學位，同年進入谷歌。

研究方向為探討基于超導量子比特的中等規(guī)模量子處理器的近期應用。

時間晶體=永動機？

什么是時間晶體？

Kostyantyn Kechedzhi：

晶體是一個由許多原子組成的系統(tǒng)，由于相互作用，這些原子的運動在空間中具有周期性。

而時間晶體是一個由許多粒子組成的量子系統(tǒng)，這些粒子自身的運動模式就具有一種周期性，只不過這種周期性存在于時間維度上而不在空間維度上，并且永久存在。

可以把時間晶體和自然界中的物體相比嗎？

Kostyantyn Kechedzhi：

持續(xù)周期運動在自然界中非常常見。

兩個巨大星球因引力而相互吸引的雙星系統(tǒng)就是最簡單的例子。這兩個物體按照周期軌道繞著共同的質(zhì)心運動。

乍一看，這似乎是一個時間晶體的例子。然而，時間晶體的關(guān)鍵之處在于它是一個由許多物體相互作用的系統(tǒng)的周期性運動。

相比之下，兩個巨大星體繞軌道運行這種運動模式其實并不是重復的，而是不斷變化的。

例如，在太陽系中，行星看似遵循近似周期性的軌跡，但行星的真實運動卻非常混亂，這意味著如果今天一顆行星的運動軌跡與既定軌道「差之毫厘」，幾十億年后兩者就完全是「失之千里」。

值得一提的是，熱力學第二定律假設(shè)由許多相互作用的物體組成的系統(tǒng)總是趨向于更無序的運動狀態(tài)，這與時間晶體的嚴格周期性運動相矛盾。

盡管如此，一個由許多相互作用的量子物體組成的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出周期性運動模式，而不會違反熱力學第二定律，這是由于一種被稱為多體局域化的基本量子現(xiàn)象。

多體局域化可以幫助時間晶體保持穩(wěn)定？

Kostyantyn Kechedzhi：

是的。由許多物體組成的局域量子系統(tǒng)的一個關(guān)鍵特性是，施加到任何一個物體上的外部脈沖或力，即使再弱，也會影響它旁邊的物體，但是卻不會影響整個系統(tǒng)。

從這個意義上說，系統(tǒng)的響應是局部的。相比之下，在一個混沌系統(tǒng)中，一個小擾動就會影響整個系統(tǒng)。

所以，正是這種局域化現(xiàn)象阻止了時間晶體從外部吸收能量。

時間晶體和永動機有多相似？

Kostyantyn Kechedzhi：

在實驗中，我們觀察到時間晶體從驅(qū)動它行為的脈沖中吸收的能量凈值始終為零。這也許就是為什么它們經(jīng)常被比作永動機。

然而，永動機必須要在沒有外部能源的情況下做功，這便違反了熱力學定律。相比之下，沒有能量源，時間晶體的運動不會對外做功，因此不違反物理定律。

時間晶體會隨著時間分解嗎？

Kostyantyn Kechedzhi：

目前的時間晶體無法做到百分百與環(huán)境隔離，而這種與環(huán)境的弱耦合就導致時間晶體的「壽命」是有限的。

換句話說，在足夠長的時間后，現(xiàn)實中的時間晶體的周期性運動模式不會再重復。

時間晶體可能有哪些應用？

Kostyantyn Kechedzhi：

時間晶體就像鐵磁體或超導體一樣，是對稱性自發(fā)破缺或自發(fā)有序的例子。

例如，鐵磁體本質(zhì)上是一個由微小的磁體組成的系統(tǒng)，這些磁體的磁極都指向一個方向，所以從這個意義上講，它是有序的。

而對稱性在這種狀態(tài)下被「自發(fā)」地打破了，因為在正常物質(zhì)中，組成粒子的極點都指向隨機的方向，這便是對稱性自發(fā)破缺。

對稱性自發(fā)破缺一旦進入一個穩(wěn)態(tài)，如鐵磁體或超導體的電阻消失，通常都具有重要的技術(shù)價值。

時間晶體為什么很難研究？

Kostyantyn Kechedzhi：

其挑戰(zhàn)在于，量子物質(zhì)無法與環(huán)境做到完全隔離。

為什么要用量子計算機來創(chuàng)造時間晶體？

Xiao Mi：

量子計算機是實現(xiàn)時間晶體的首選平臺，因為它們有精確校準的量子邏輯門。

量子邏輯門和傳統(tǒng)的邏輯門有什么區(qū)別？

Xiao Mi：

量子邏輯門是傳統(tǒng)計算機邏輯門的量子計算版本，其允許以非常高的精度實現(xiàn)時間晶體所需的多體相互作用。

以前關(guān)于時間晶體的研究都是在量子模擬器上進行的，而這些平臺缺乏量子計算機的精度。因此，這些實驗存在著許多由于非預期的相互作用而導致的缺陷。

新研究中展示了什么？

Xiao Mi：

我們設(shè)計了理論上可以呈現(xiàn)時間晶體相互作用類型的量子電路，并從中收集了數(shù)據(jù)。

通過各種技術(shù)手段，我們驗證了這些數(shù)據(jù)與時間晶體的行為是一致的：

時間晶體秩的衰減或「融化」只是由外部退相干引起的，而不是系統(tǒng)的內(nèi)部動力學。

無論系統(tǒng)的初始狀態(tài)如何，時間晶體的特征是存在的。

我們可以確定時間晶體階段的邊界，也就是它「融化」的地方。

這些結(jié)果最有趣的是什么？

Xiao Mi：

理解相互作用的粒子在相變臨界點附近的行為，比如冰變成水的融化溫度，是物理學中一個長期存在的問題，而量子系統(tǒng)中仍有許多未解之謎。

我們能夠確定時間晶體和量子混沌態(tài)之間的相變點的特征，對于量子處理器作為科學研究工具的早期應用來說，是一個非常有前途的方向。

在這種情況下，由幾十或幾百個量子比特組成的適度規(guī)模的系統(tǒng)已經(jīng)可以新的提供關(guān)于相變性質(zhì)的實驗信息。

時間晶體對量子計算機發(fā)展的作用？

Xiao Mi：

擁有像時間晶體這樣穩(wěn)定的抗實驗干擾的物質(zhì)，有助于設(shè)計長壽的量子態(tài)，這是未來改進量子處理器的關(guān)鍵任務。

與荷蘭代爾夫特理工大學創(chuàng)造的時間晶體有什么區(qū)別？

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603

Kostyantyn Kechedzhi：

代爾夫特實現(xiàn)了我們早期理論工作中概述的一些協(xié)議，這些協(xié)議將多體局部時間晶體與近年來觀察到的前熱時間晶體區(qū)分開來。其中，熱前時間晶體的特點是內(nèi)在壽命有限，而多體局部時間晶體的特點是內(nèi)在壽命是無限長的。

我們的處理器能夠證明時間晶體的動力學在一定的系統(tǒng)參數(shù)范圍內(nèi)持續(xù)存在。其結(jié)果之一是觀察到了時間晶體和混沌行為之間的相變。相變的存在表明，時間晶體是一種不同于更普遍的混沌多體狀態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)，包括熱前時間晶體。

最重要的是，我們在新研究中描述的協(xié)議是可擴展的，它可以很容易地應用于更大的量子處理器。這是進一步理論分析的結(jié)果，大大改進了我們先前的工作，而代爾夫特實驗正是基于此。

研究可能的發(fā)展方向？

Kostyantyn Kechedzhi：

我們的目標之一是將量子處理器發(fā)展成為物理學和化學的科學工具。其中，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是減少誤差，從而在未來實現(xiàn)容錯量子計算。

而這需要通過硬件的改進、算法錯誤緩解策略和對噪聲在多體量子動力學中的作用的基本理解來解決。

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