科学家打造出世界最大时间晶体，包含57个量子位

近日，科学家已经成功打造出由57个量子位组成的时间晶体，其量子位数量是谷歌时间晶体的两倍多。

2021年11月，谷歌团队利用超导量子处理器“悬铃木”(Sycamore)实现了由20个量子位组成的时间晶体。

本次，澳大利亚墨尔本大学的两位物理学家使用链状的57个超导量子位组成离散时间晶体(DTC)，成为目前世界上最大的时间晶体。相关研究成果3月2日发表于《科学进展》(Science Advaces)。

微软公司凝聚态物理学家Chetan Nayak评价道，此次量子位数量是如此庞大，传统计算机无法进行模拟，“所以这绝对是一项重大突破”。这项研究展示了量子计算机模拟复杂系统的能力，否则这些复杂的时间晶体系统可能只存在于物理学家的理论中。

艺术家对时间水晶的描绘，图片来自GOOGLE QUANTUM AI

“时间晶体”的来源

“时间晶体”(Time crystal)这一概念最早由诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek在2012年提出。Wilczek认为，时间晶体这一新物质相，可以自发打破时间平移对称性，即时间晶体经历周期性运动，每隔一段时间就会回到最初形态。

简单来说，类似于水晶的结构在空间中不断重复，时间晶体在时间上呈周期性重复——它不需要任何进一步的能量输入就能够无限重复，就犹如一座“永动机”。

Wilczek所提出的“时间晶体”可以具体称为连续时间晶体(Continuous Time Crystal)。此后，法国莱布尼茨奖得主Patrick Bruno提出这一量子时间晶体模型并不能成立，日本物理理论学家Haruki Watanabe等也证明了在热力学极限下不存在量子时间晶体。

直到2015年，波兰物理学家Krzysztof Sacha第一次明确引入离散时间对称性自发破缺的概念，离散时间晶体理论的发展呈现一片欣欣向荣。

最大时间晶体面世

当一百多名研究人员致力于谷歌量子计算机的模拟工作时，墨尔本大学的Philipp Frey和Stephan Rachel独立完成了本次研究。

二人使用IBM最先进的量子计算机ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn进行远程模拟，对57个量子位组成的离散时间晶体展开观察。“（整个实验）只有我、我的研究生和一台笔记本电脑。”Rachel表示整个研究项目持续了半年左右。

57个黑色量子位用于模拟离散时间晶体(DTC)，图片来自论文

由于量子的叠加特性，量子位可以同时设置为0、1或者0和1，通过编程使其像磁铁一样相互作用。

研究人员表示，在量子位相互作用的某些设置中，任何57个量子位的初始设置（比如011011011110... ）都保持稳定，每两次脉冲就会回到原始状态。

乍一看，这一观点似乎平平无奇。毕竟，哪怕磁铁没有相互作用，每一个脉冲都会使它们翻转180度，产生这种半频响应。但哈佛大学凝聚态理论学家Dominic Else解释道，正是相互作用稳定了时间晶体的结构，才使该系统成为时间晶体。这使得系统对一些缺陷免疫，例如即使在脉冲不够长的情况下，也能产生翻转。“这其实是物质的一个阶段，通过多体间的相互作用来使其稳定。”Else说道。

但是，只提高量子位相互作用的力度是不够的。Rachel解释说，这种相互作用也必须随机地根据一对相邻量子位的变化而变化。例如，如果所有的磁铁都以相同的力度相互作用，那么其中一个磁铁出了问题，就可能导致链条上其他磁铁也翻转到错误的方向。随机性则阻止了这种错误，并使时间晶体稳定。

他认为目前的实验还不够完美，这种翻转的结构应该会无限期地持续下去，但IBM量子计算机中的量子位元只够模拟大约50个周期。

Rachel认为，时间晶体最终可能被用来储存一串量子位元的状态，成为量子计算机的一种存储方式。但实现这项突破，还需要更多的时间。