谷歌华人用时间晶体解开数十年尘封谜题！永「动」机再登Nature

时间晶体是一种神秘的物质。

理论上，它可以在不同状态之间进行重复的循环运动，而永远不会消耗能量，就像一只手表在没有电池的情况下永远运行一样。

长久以来，科学家们一直在争先恐后地想办法创造这一物质。

2021年11月30日，谷歌量子AI的研究人员利用Sycamore量子计算机创造出的时间晶体登上《Nature》。

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

经典计算机通过开关晶体管来表示数据1和0，而量子计算机则使用量子比特来表示。由于量子力学的性质，量子比特可以同时表示1和0的叠加状态。

基于一种被称为「纠缠」的量子效应，一台拥有300个量子比特的量子计算机理论上可以在一瞬间完成比可见宇宙中的原子数目更多的计算次数。

在今年这项新的研究中，谷歌的研究人员便使用了20个量子比特的系统，目的倒不是为了计算，而是为了造出时间晶体。

近日，IEEE对谷歌研究科学家Kostyantyn Kechedzhi和谷歌高级研究科学家Xiao Mi进行了采访，他们分别在理论和实验方面进行了大量研究。

本文一作Xiao Mi于2012年获得康奈尔大学工程物理学学士学位，于2018年获得普林斯顿大学物理学博士学位，同年进入谷歌。

研究方向为探讨基于超导量子比特的中等规模量子处理器的近期应用。

时间晶体=永动机？

什么是时间晶体？

Kostyantyn Kechedzhi：

晶体是一个由许多原子组成的系统，由于相互作用，这些原子的运动在空间中具有周期性。

而时间晶体是一个由许多粒子组成的量子系统，这些粒子自身的运动模式就具有一种周期性，只不过这种周期性存在于时间维度上而不在空间维度上，并且永久存在。

可以把时间晶体和自然界中的物体相比吗？

Kostyantyn Kechedzhi：

持续周期运动在自然界中非常常见。

两个巨大星球因引力而相互吸引的双星系统就是最简单的例子。这两个物体按照周期轨道绕着共同的质心运动。

乍一看，这似乎是一个时间晶体的例子。然而，时间晶体的关键之处在于它是一个由许多物体相互作用的系统的周期性运动。

相比之下，两个巨大星体绕轨道运行这种运动模式其实并不是重复的，而是不断变化的。

例如，在太阳系中，行星看似遵循近似周期性的轨迹，但行星的真实运动却非常混乱，这意味着如果今天一颗行星的运动轨迹与既定轨道「差之毫厘」，几十亿年后两者就完全是「失之千里」。

值得一提的是，热力学第二定律假设由许多相互作用的物体组成的系统总是趋向于更无序的运动状态，这与时间晶体的严格周期性运动相矛盾。

尽管如此，一个由许多相互作用的量子物体组成的系统可以表现出周期性运动模式，而不会违反热力学第二定律，这是由于一种被称为多体局域化的基本量子现象。

多体局域化可以帮助时间晶体保持稳定？

Kostyantyn Kechedzhi：

是的。由许多物体组成的局域量子系统的一个关键特性是，施加到任何一个物体上的外部脉冲或力，即使再弱，也会影响它旁边的物体，但是却不会影响整个系统。

从这个意义上说，系统的响应是局部的。相比之下，在一个混沌系统中，一个小扰动就会影响整个系统。

所以，正是这种局域化现象阻止了时间晶体从外部吸收能量。

时间晶体和永动机有多相似？

Kostyantyn Kechedzhi：

在实验中，我们观察到时间晶体从驱动它行为的脉冲中吸收的能量净值始终为零。这也许就是为什么它们经常被比作永动机。

然而，永动机必须要在没有外部能源的情况下做功，这便违反了热力学定律。相比之下，没有能量源，时间晶体的运动不会对外做功，因此不违反物理定律。

时间晶体会随着时间分解吗？

Kostyantyn Kechedzhi：

目前的时间晶体无法做到百分百与环境隔离，而这种与环境的弱耦合就导致时间晶体的「寿命」是有限的。

换句话说，在足够长的时间后，现实中的时间晶体的周期性运动模式不会再重复。

时间晶体可能有哪些应用？

Kostyantyn Kechedzhi：

时间晶体就像铁磁体或超导体一样，是对称性自发破缺或自发有序的例子。

例如，铁磁体本质上是一个由微小的磁体组成的系统，这些磁体的磁极都指向一个方向，所以从这个意义上讲，它是有序的。

而对称性在这种状态下被「自发」地打破了，因为在正常物质中，组成粒子的极点都指向随机的方向，这便是对称性自发破缺。

对称性自发破缺一旦进入一个稳态，如铁磁体或超导体的电阻消失，通常都具有重要的技术价值。

时间晶体为什么很难研究？

Kostyantyn Kechedzhi：

其挑战在于，量子物质无法与环境做到完全隔离。

为什么要用量子计算机来创造时间晶体？

Xiao Mi：

量子计算机是实现时间晶体的首选平台，因为它们有精确校准的量子逻辑门。

量子逻辑门和传统的逻辑门有什么区别？

Xiao Mi：

量子逻辑门是传统计算机逻辑门的量子计算版本，其允许以非常高的精度实现时间晶体所需的多体相互作用。

以前关于时间晶体的研究都是在量子模拟器上进行的，而这些平台缺乏量子计算机的精度。因此，这些实验存在着许多由于非预期的相互作用而导致的缺陷。

新研究中展示了什么？

Xiao Mi：

我们设计了理论上可以呈现时间晶体相互作用类型的量子电路，并从中收集了数据。

通过各种技术手段，我们验证了这些数据与时间晶体的行为是一致的：

时间晶体秩的衰减或「融化」只是由外部退相干引起的，而不是系统的内部动力学。

无论系统的初始状态如何，时间晶体的特征是存在的。

我们可以确定时间晶体阶段的边界，也就是它「融化」的地方。

这些结果最有趣的是什么？

Xiao Mi：

理解相互作用的粒子在相变临界点附近的行为，比如冰变成水的融化温度，是物理学中一个长期存在的问题，而量子系统中仍有许多未解之谜。

我们能够确定时间晶体和量子混沌态之间的相变点的特征，对于量子处理器作为科学研究工具的早期应用来说，是一个非常有前途的方向。

在这种情况下，由几十或几百个量子比特组成的适度规模的系统已经可以新的提供关于相变性质的实验信息。

时间晶体对量子计算机发展的作用？

Xiao Mi：

拥有像时间晶体这样稳定的抗实验干扰的物质，有助于设计长寿的量子态，这是未来改进量子处理器的关键任务。

与荷兰代尔夫特理工大学创造的时间晶体有什么区别？

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

Kostyantyn Kechedzhi：

代尔夫特实现了我们早期理论工作中概述的一些协议，这些协议将多体局部时间晶体与近年来观察到的前热时间晶体区分开来。其中，热前时间晶体的特点是内在寿命有限，而多体局部时间晶体的特点是内在寿命是无限长的。

我们的处理器能够证明时间晶体的动力学在一定的系统参数范围内持续存在。其结果之一是观察到了时间晶体和混沌行为之间的相变。相变的存在表明，时间晶体是一种不同于更普遍的混沌多体状态的物质状态，包括热前时间晶体。

最重要的是，我们在新研究中描述的协议是可扩展的，它可以很容易地应用于更大的量子处理器。这是进一步理论分析的结果，大大改进了我们先前的工作，而代尔夫特实验正是基于此。

研究可能的发展方向？

Kostyantyn Kechedzhi：

我们的目标之一是将量子处理器发展成为物理学和化学的科学工具。其中，关键的挑战是减少误差，从而在未来实现容错量子计算。

而这需要通过硬件的改进、算法错误缓解策略和对噪声在多体量子动力学中的作用的基本理解来解决。

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