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谷歌量子计算机造出时间晶体：跳出热力学第二定律的“永动机”出现了？

2021-08-01 07:32

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

选自quantamagazine

作者：Natalie Wolchover

机器之心编译

机器之心编辑部

人们一直认为物理学上不可能存在「时间晶体」这种奇异的物相，但现在事实已经摆在我们的面前了。

和人们想象中的永动机一样，时间晶体在各状态之间永久循环而不消耗能量。物理学家声称已经在量子计算机中构建了这种全新的物相。这可能是近几十年来最为重大的一次物理发现。

在本周四于预印版论文平台 arXiv 上发布的论文《Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》中，来自谷歌和斯坦福、普林斯顿等大学的研究者们表示，他们已经使用谷歌的量子计算机展示了一种真正的「时间晶体」。

此外，来自荷兰代尔夫特理工大学等机构的研究团队本月早些时候也于论文《Observation of a many-body-localized discrete time crystal with a programmable spin-based quantum simulator》中声称在金刚石中创造了时间晶体。物理学界最近一段时间的发展让人看到了新世界。

谷歌等机构提交的论文，作者超过 100 人。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2107.13571

作为物理学家多年来一直努力期望实现的全新物质阶段，时间晶体是一种物相，其某部分不断规律、重复地往复运动，而且是在不消耗任何能量的情况下保持这种变化的。

「这是一个惊人的结果：它跳出了热力学第二定律（孤立系统自发熵增），」德国德累斯顿马克斯 · 普朗克复杂系统物理研究所所长、谷歌论文的合著者 Roderich Moessner 说道。

时间晶体也是第一个自行打破「时间平移对称性」的物体，该规则指稳定物体在极长时间内保持不变的传统规则。时间晶体既稳定又不断变化，在特殊时刻呈现周期性。

时间晶体是物相的新类别，扩展了物相的定义。所有其他已知物相，如水或冰，都处于热平衡状态：这些物质的组成的原子处于环境温度允许的最低能量状态，并且它们的特性不随时间变化。时间晶体是第一个「不平衡」物相：即使处于激发态和演化态，它仍然有秩序和完美的稳定性。

「我们正在研究的是一个全新的，激动人心的领域，」斯坦福大学的凝聚态物理学家 Vedika Khemani 说道。她在研究生期间就与他人合作发现了这个新物相，并于近期与谷歌合著了新论文。

普林斯顿的 Khemani、Moessner、Shivaji Sondhi 和英国拉夫堡大学的 Achilleas Lazarides 于 2015 年发现了新物相的可能性并描述了其关键特性。不久以后，微软 Station Q 的 Chetan Nayak 和加州大学圣巴巴拉分校领导的一组物理学家将其定义为时间晶体。

在过去五年中，科学家们争相寻找时间晶体，但之前的一些研究虽然按照研究人员设置的条件取得了成功，但未能满足确定时间晶体存在所需的所有标准。「我们有充分理由认为这些实验都没有完全成功，谷歌这样的量子计算系统有条件完成更据说服力的实验。」牛津大学凝聚态物理学家 John Chalker 说道。

谷歌的量子计算团队在 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。

「这就是谷歌量子处理器的绝妙之处，」Nayak 说道。

谷歌量子计算机的处理器。

通过昨天提交的论文预印版及其他近期成果，研究人员实现了对于量子计算机的最初期望——物理学家理查德 · 费曼（Richard Feynman）在 1982 年发表的论文中认为，量子计算机可以用来模拟任何可以想象的量子系统中的粒子。

时间晶体让这一愿景成为了现实。鉴于其精密而复杂的内部机制，自然界本身可能永远不会创造出这样的量子形态。在极小的空间尺度上，大自然最令人费解的法则激发了想象力，让我们看到了「不可能」的现象。

一个不可能的想法，复活了

时间晶体最初的概念有一个致命的缺陷。

这一概念由诺贝尔物理学奖得主 Frank Wilczek 于 2012 年在一堂普通的（空间）晶体课上提出。「如果你考虑空间中的晶体，那么你会很自然地去想时间上晶体行为的分类，」Frank Wilczek 告诉《量子杂志》。

2004 年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院教授 Frank Wilczek。

以金刚石为例，它是一团由碳原子形成的结晶相。在空间中，这个原子团每一处都受相同的方程式支配，但它的形式具有周期性的空间变化，原子位于晶格点上。物理学家说，它「自发地打破空间平移对称」。只有能量最小的平衡态才能以这种方式自发地打破空间对称。

Wilczek 设想了一个处于平衡态的多部分物体，很像金刚石。但这个物体打破了时间平移对称性：它经历周期性运动，每隔一段时间就会回到最初的形态。

Wilczek 提出的时间晶体与挂钟截然不同。挂钟也经历周期性运动，但它的指针会消耗能量，并在能量耗尽后停止走动。相比之下，Wilczekian 时间晶体不需要输入，但能一直保持周期性运动，因为这个系统处于超稳定的平衡状态。

这听起来似乎难以置信，也在物理学界引起了很大争议。2014 年，加州大学伯克利分校等机构的研究者发表了一篇论文，表明 Wilczek 的设想是行不通的，就像之前所有关于永动机的想法一样。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/1410.2143.pdf

那一年，普林斯顿大学的博士生 Khemani 和她的导师 Sondhi 正在研究多体局域化（many-body localization），这是安得森局域化（Anderson Localization）的一种扩展。1958 年，美国物理学家安得森（P. W. Anderson）首先预测，如果在导体内加入杂质，电子在传导时会被这些杂质散射，多重散射波则发生互相干扰，结果能导致电子的运动停止，金属的导电性消失，呈现出绝缘体的性质。

这一预测后来被实验证实，安得森也因此荣获诺贝尔物理学奖。人们称此由于掺杂而导致的导电状态到绝缘状态的现象为安得森局域化（Anderson Localization），可以理解为一组列队整齐的部队从整齐的马路走上崎岖不平的路时会降低整齐度或停下来。

电子最好用波来描述，它在不同地方的高度给出了在那里探测到该粒子的概率。波会随着时间推移自然扩散。但 Philip Anderson 发现，随机性（比如晶格中存在的随机缺陷）会导致电子波崩溃，还会对它自身产生相消干涉，并在除一个小区域之外的所有地方抵消。

多年以来，人们一直以为多个粒子之间的相互作用会破坏干涉效应。但 2005 年，普林斯顿大学和哥伦比亚大学的三位物理学家证明，一维量子粒子链可以经历多体局域化，也就是说，它们都会被困在一个固定的状态。这种现象将成为时间晶体的第一要素。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/cond-mat/0506617.pdf

想象一排粒子，每个粒子都有一个磁性方向（即「自旋」），这个方向可以是向上、向下或二者都有。假设前四个自旋方向分别是：上、下、下、上。如果可以的话，自旋将会以量子力学的方式波动并迅速对齐。但它们之间的随机干涉会导致这排粒子卡在某个特定的位置，这使其无法重新排列并进入热平衡状态。它们会无限期地保持上、下、下、上的自旋。

Sondhi 和他的合作者发现，多体局域化系统可以表现出一种特殊的顺序，这将成为时间晶体的第二个关键要素：如果你翻转系统中的所有自旋（变成下、上、上、下），你会得到另一个稳定的多体局域化状态。

2014 年，Khemani 在学院轮休假期间于马普所加入了 Sondhi 的研究。在那里，Moessner 和 Lazarides 专注于 Floquet 系统的研究。Floquet 系统是一种周期性驱动的系统，比如被特定频率的激光刺激的晶体。激光的强度以及它对系统的影响强度发生周期性的变化。Moessner、Lazarides、Sondhi 和 Khemani 研究的是多体局域化系统以这种方式周期性驱动时会发生什么。他们在计算和模拟中发现，当你用激光以一种特定的方式刺激一个局域化自旋链时，它们会来回翻转，在两个不同的多体局域化状态之间循环往复，而不会从激光中吸收任何净能量。

他们把这一发现叫做 pi spin-glass phase（角度 pi 表示 180 度翻转）。在 2015 年的一篇预印本论文中，他们提出了这种新物相（phase of matter）的概念，即第一个多体非平衡相。但论文中并没有提到「时间晶体」这个词。2016 年，他们在发表于《Physical Review Letters》上的新版本中添加了这个词，并在致谢中感谢审稿人将 pi spin-glass phase 和时间晶体联系起来。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/1508.03344v1.pdf

但在上述论文预印版与正式版发表之间还发生了一个插曲：Wilczek 之前带的一个研究生 Nayak 和他的合著者 Dominic Else、Bela Bauer 于 2016 年 3 月份发布了一篇预印版论文，他们以 Khemani 等人提出的 pi spin-glass phase 为例表明了 Floquet 时间晶体物体的存在。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/1603.08001.pdf

Floquet 时间晶体表现出 Wilczek 所设想的那种行为，但这只在外部能量源周期性驱动的情况下才能发生。这种时间晶体绕过了 Wilczek 最初想法的缺陷，因为它从不声称处于热平衡状态。由于它是一个多体局域化系统，它的自旋或其他部分无法达到平衡；它们被困在原地。但尽管有激光或其他驱动，该系统也不会升温。相反，它在局域化状态之间无限地来回循环。

激光已经打破了一排自旋所有时刻之间的对称，取而代之的是「离散时间平移对称」。也就是说，只有在激光的每个周期之后才有相同的条件。但之后，通过前后翻转，这行自旋进一步打破了激光施加的离散时间平移对称，因为它自己的周期循环是激光的倍数。

Khemani 和她的合著者详细描述了这种物相，但 Nayak 的团队用时间、对称性、自发对称破缺等语言描述了它，这些都是物理学基本概念。除了这些更吸引人的术语，他们还提供了新的理解角度，并把 Floquet 时间晶体的概念扩展到了 pi spin-glass phase 之外（指出它所具有的某种对称性是不需要的）。Nayak 等人的研究发表在 2016 年 8 月的《Physical Review Letters 》上，比 Khemani 等人关于新物相首个例证的论文晚了两个月。

两个研究团队都声称他们是这个想法的初始提出者。从那时起，他们和其他研究者开始争相在现实世界中创造出时间晶体。

完美的平台

Nayak 的团队与马里兰大学的 Chris Monroe 合作，后者使用电磁场来捕获和控制离子。上个月，该研究团队在《Science》上发表了一篇文章，声称他们已将被捕获的离子转化为近似的或「预热的（prethermal）」时间晶体。它的周期性变化（在该论文中指离子在两种状态之间跳跃）实际上与真正的时间晶体无法区分。但与金刚石不同的是，这种预热时间晶体不是永恒的。如果实验运行的时间足够长，系统会逐渐平衡，周期行为就会崩溃。

Khemani、Sondhi 和 Moessner 等人的研究也在继续。2019 年，谷歌宣布其 Sycamore 量子计算机在 200 秒内完成了一项传统计算机 10000 年才能完成的任务。Moessner 表示，该研究的发表让他和他的同事意识到：「Sycamore 处理器包含实现 Floquet 时间晶体所需的东西，可作为其基本构建块。」

同时，Sycamore 的开发人员也在寻找与他们的机器有关的东西，这台机器太容易出错，无法运行专门为成熟量子计算机设计的密码学和搜索算法。当 Khemani 及其同事联系到 Google 的理论研究者 Kostya Kechedzhi 时，他和他的团队很快同意在时间晶体项目上进行合作。Kechedzhi 介绍说：「我们的工作，不仅是离散时间晶体，还有一些其他项目，包括用我们的量子计算机研究新物理（new physics）或一些化学问题等。」

量子计算机不是下一代超级计算机——它们完全是两回事。当我们开始谈论它们的潜在应用之前，我们需要了解驱动量子计算理论的基础物理学。

量子计算机由「量子比特」组成，量子比特本质上是可控的量子粒子，每个粒子都可以同时保持两种可能的状态，标记为 0 和 1。当量子比特交互时，它们可以同时处理指数级的可能性，从而实现计算优势。

谷歌的量子比特由超导铝条组成。每个都有两种可能的能量状态，可以通过编程来表示向上或向下的自旋。Kechedzhi 等研究者在 demo 中使用了一个具有 20 个量子比特的芯片作为时间晶体。

或许该机器相对于其竞争对手的主要优势在于它能够调整其量子比特之间的相互作用强度。这种可调性是系统成为时间晶体的关键：程序员可以随机化量子比特的相互作用强度。这种随机性在它们之间产生相消干涉，使成行的自旋实现多体局域化。量子比特可以锁定一组方向模式而不是对齐。

研究者给自旋设置了任意的初始配置，例如：向上、向下、向下、向上等。可以用微波将向上指向的自旋翻转为向下，反之亦然。通过为每个初始配置运行数万个演示，并在每次运行时在不同时间后测量量子比特的状态，研究者能够观察到自旋系统在两个多体局域化状态之间来回翻转。

这种新物相的标志是极端的稳定性。即使温度波动，冰仍然是冰。事实上，研究者发现微波脉冲只需要将自旋翻转大约 180 度，不一定非那么精确，因为自旋在两个脉冲后会返回到它们的确切初始方向，就像小船自己扶正一样。此外，自旋从未吸收或耗散来自微波激光的净能量，系统的无序仍然保持不变。

7 月 5 日，荷兰代尔夫特理工大学的一个研究团队报告称：他们没有借助量子处理器，而是利用金刚石中碳原子的核自旋构建了 Floquet 时间晶体。这一系统比谷歌量子处理器中实现的时间晶体更小、更有限。

目前尚不清楚 Floquet 时间晶体是否具有实际用途。但它的稳定性对 Moessner 来说似乎很有希望。「像这样稳定的东西是不寻常的，特别的东西往往能变得很有用」，Moessner 说。

或许这种状态只是在概念上有用。这是第一个非平衡相的例子，也是最简单的例子，但研究人员怀疑更多这样的物相在物理上是可能的。

Nayak 认为，时间晶体揭示了关于时间本质的深刻意义。他说：「通常在物理学中，无论你多么努力地将『时间』视为另一个维度，它总是一种异常值。」

在统一方面，爱因斯坦做出了最好的尝试，他将 3D 空间与时间编织成一个四维结构：时空。但即使在他的理论中，单向时间也是独一无二的。而发现了时间晶体之后，「时间突然变成了一个普通的维度，」Nayak 说到。

然而，Chalker 认为时间仍是一个异常值。他说 Wilczek 的时间晶体本将是时间和空间的真正统一。空间晶体处于平衡状态，相应地，它们打破了连续的空间平移对称性。而在时间的情况下，只有离散的时间平移对称性可能会被时间晶体打破，这一发现为时间和空间之间的区别提供了一个新的角度。

伴随着探索量子计算机的无限可能性，这些科研讨论将继续进行。凝聚态物理学家过去常常关注自然界的各个物相，现在 Chalker 说：「是时候将研究重点从大自然赋予我们的东西，转向想象量子力学允许的奇异物质形式了。」

原文链接：https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/