作者:斯坦福大学泰勒·久保田
用于创建时间晶体的谷歌西克莫芯片
信用:谷歌量子人工智能 全球都在努力设计一台计算机，它能够利用量子物理学的力量来完成前所未有的复杂计算
尽管巨大的技术障碍仍然阻碍着这种量子计算机的制造，但今天的早期原型仍然能够创造出非凡的成就
例如，一种叫做“时间晶体”的新物质相的产生
“就像晶体的结构在空间中重复一样，时间晶体也在时间中重复，更重要的是，它无限重复，而且没有任何进一步的能量输入——就像一个没有任何电池的时钟永远运行
寻求实现这一阶段的物质一直是理论和实验上的长期挑战，现在终于取得了成果
在11月发表的研究中
30在《自然》杂志上，来自斯坦福大学、谷歌量子人工智能、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所和牛津大学的科学家团队详细介绍了他们使用谷歌的Sycamore量子计算硬件创建时间晶体的过程
斯坦福大学博士后学者、这项工作的共同第一作者Matteo Ippoliti说:“大局是，我们正在把本应成为未来量子计算机的设备，认为它们本身就是复杂的量子系统。”
“代替计算，我们把计算机作为一个新的实验平台，来实现和检测物质的新阶段
" 对该团队来说，他们的成就令人兴奋之处不仅在于创造了一个新的物质阶段，还在于为探索凝聚态物理领域的新机制提供了机会，凝聚态物理研究系统中许多物体的集体相互作用所带来的新现象和新特性
(这种交互比单个对象的属性要丰富得多
) “时间晶体是一种新型物质非平衡量子相的突出例子，”斯坦福大学物理学助理教授、该论文的资深作者Vedika Khemani说
“虽然我们对凝聚态物理的理解大多基于平衡系统，但这些新的量子器件为我们提供了一扇迷人的窗口，让我们了解多体物理中新的非平衡态
" 什么是时间晶体，什么不是 制作这种时间晶体的基本成分如下:物理上相当于一只果蝇和一些可以刺激它的东西
物理学的成果是伊辛模型，这是一个长期以来用于理解各种物理现象(包括相变和磁性)的工具，它由一个晶格组成，其中每个位置都被一个粒子占据，该粒子可以处于两种状态，表示为自旋上升或下降
在她读研究生期间，她的博士生导师希瓦吉·松迪(当时在普林斯顿大学)和马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的阿奇利亚斯·拉扎里德斯和罗德里克·莫斯纳无意中发现了这种制造时间晶体的方法
他们当时正在研究非平衡多体局域系统——在这种系统中，粒子被“卡”在它们开始的状态中，永远无法放松到平衡状态
他们感兴趣的是探索当这些系统周期性地被激光“踢”时，它们可能发展的阶段
他们不仅找到了稳定的非平衡相，还找到了粒子自旋在模式之间翻转的非平衡相，这些模式在时间上永远重复，周期是激光驱动周期的两倍，从而形成了时间晶体
激光的周期性跳动为动态建立了特定的节奏
正常情况下，旋转的“舞蹈”应该与这种节奏同步，但在时间水晶中却不是这样
相反，自旋在两种状态之间翻转，只有在被激光踢了两次后才能完成一个周期
这意味着系统的“时间平移对称性”被打破
对称性在物理学中起着基础作用，它们经常被打破——解释了规则晶体、磁铁和许多其他现象的起源；然而，时间平移对称性很突出，因为与其他对称性不同，它不能在平衡中被打破
周期性的反冲是一个漏洞，使得时间晶体成为可能
振荡周期的加倍是不寻常的，但不是前所未有的
长寿振荡在少粒子系统的量子动力学中也很常见
时间晶体的独特之处在于，它是一个由数百万个事物组成的系统，这些事物表现出这种一致的行为，没有任何能量进入或泄漏
该论文的合著者、牛津大学物理学教授Sondhi说:“这是一个完全健壮的物质阶段，你没有微调参数或状态，但你的系统仍然是量子的。”
“没有能量的输入，没有能量的消耗，它会永远持续下去，它涉及许多强相互作用的粒子
" 虽然这听起来有点像“永动机”，但仔细观察就会发现，时间晶体不会违反任何物理定律
熵——衡量系统无序程度的一个指标——随着时间的推移保持稳定，通过不减少来勉强满足热力学第二定律
在时间晶体计划的发展和将它变为现实的量子计算机实验之间，许多不同研究团队的许多实验实现了各种近乎时间晶体的里程碑
然而，提供“多体定位”(实现无限稳定时间晶体的现象)配方中的所有成分仍然是一个突出的挑战
对于克马尼和她的合作者来说，时间水晶成功的最后一步是与谷歌量子人工智能团队合作
这个小组一起使用谷歌的Sycamore量子计算硬件，利用量子版本的经典计算机信息位，即量子位，来编程20个“自旋”
另一个时间晶体发表在本月的《科学》杂志上，揭示了目前人们对时间晶体的兴趣有多强烈
该晶体是由荷兰代尔夫特理工大学的研究人员利用钻石中的量子比特创造的
量子机会 由于量子计算机的特殊能力，研究人员能够证实他们关于真时间晶体的说法
尽管(不完美的)量子设备的有限尺寸和相干时间意味着他们的实验在尺寸和持续时间上是有限的——因此时间晶体振荡只能在几个混沌周期内观察到，而不是无限期的——但研究人员设计了各种协议来评估它们产生的稳定性
这些包括在时间上向前和向后运行模拟，并缩放其大小
该论文的合著者、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所所长莫斯纳说:“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。”
“它本质上告诉我们如何纠正自己的错误，以便从有限的时间观察中确定理想的时间结晶行为的指纹
" 理想时间晶体的一个关键特征是，它显示出所有状态的无限振荡
验证这种对状态选择的鲁棒性是一个关键的实验挑战，研究人员设计了一个协议，在机器的一次运行中探测其时间晶体的100多万个状态，只需要几毫秒的运行时间
这就像从多个角度观察一个物理晶体来验证它的重复结构
“我们的量子处理器的一个独特之处是它能够创造高度复杂的量子态，”谷歌研究员、该论文的合著者小蜜说
“这些状态允许物质的相结构得到有效验证，而不需要研究整个计算空间——否则这是一项棘手的任务
" 从根本上说，创造一个新的物质阶段无疑是令人兴奋的
此外，这些研究人员能够做到这一点的事实表明，量子计算机对于计算以外的应用越来越有用
“我乐观地认为，有了更多更好的量子比特，我们的方法可以成为研究非平衡动力学的主要方法，”谷歌研究员、该论文的资深作者Pedram Roushan说
“我们认为量子计算机目前最令人兴奋的用途是作为基础量子物理的平台，”Ippoliti说
“有了这些系统的独特功能，你有希望发现一些你没有预测到的新现象
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