墨爾本大學(xué)物理學(xué)家制造出目前最大時(shí)間晶體，或可用于量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)

2021 年，谷歌宣布首次使用自研量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出時(shí)間晶體（Time Crystals），該時(shí)間晶體通過(guò)局部可觀測(cè)性推翻了時(shí)間平移對(duì)稱性理論，并保留對(duì)不確定初始狀態(tài)的記憶。 

近日，來(lái)自澳大利亞墨爾本大學(xué)的物理學(xué)家菲利普·弗雷（Philipp Frey）與斯蒂芬·雷切爾（Stephan Rachel）再次將時(shí)間晶體搬上世界舞臺(tái)。 

據(jù)悉，他們運(yùn)行基于 IBM 研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)，編程出一個(gè)包含 57 個(gè)量子比特的時(shí)間晶體。時(shí)間晶體是“一個(gè)可以時(shí)間上鎖定一個(gè)永久循環(huán)的量子粒子系統(tǒng)”，類似于實(shí)際晶體中原子的空間重復(fù)分布模式。 

相關(guān)論文以《離散時(shí)間晶體在 57 量子比特量子計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)》（Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer）為題發(fā)表在了 Science Advances 上。

 圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）

該時(shí)間晶體超越了谷歌此前的成果，成為目前最大的時(shí)間晶體。雷切爾表示，“整個(gè)項(xiàng)目是由我、菲利普，還有一臺(tái)筆記本電腦來(lái)完成的，大概花了 6 個(gè)月的時(shí)間?！?/span>

該研究成果展現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的特有實(shí)力，即能夠模擬出原本僅會(huì)存在于理論世界中的復(fù)雜系統(tǒng)。微軟工程師、凝聚態(tài)物理學(xué)家切坦·納亞克（Chetan Nayak）評(píng)價(jià)道，“這項(xiàng)研究所需的運(yùn)算量太大了，沒有一個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以完成，所以這絕對(duì)是一個(gè)重要的進(jìn)步?！?nbsp;

值得一提的是，研究人員重點(diǎn)探索了該時(shí)間晶體的隨機(jī)初始狀態(tài)，還通過(guò)對(duì)比消失和有限無(wú)序兩種情形深入認(rèn)識(shí)了多體局部化和預(yù)熱化動(dòng)力學(xué)的不同。

圖 | 時(shí)間晶體和熱動(dòng)力學(xué)的特征（來(lái)源：Science Advances）

據(jù)了解，時(shí)間晶體一詞最早是由美國(guó)麻省理工學(xué)院教授、理論物理學(xué)家弗蘭克·威爾切克（Frank Wilczek）于 2012 年提出的。 

當(dāng)時(shí)，他正在思考普通晶體的原子空間格局是從何而來(lái)。

威爾切克提到，由于原子間力的方程并無(wú)特定限制，所有原子都有相同的概率出現(xiàn)在任何地方，且原子足夠冷卻時(shí)就會(huì)自發(fā)地出現(xiàn)。 

不過(guò)，只要有幾個(gè)原子開始彼此貼近，就可以預(yù)測(cè)出下一個(gè)原子的位置，這時(shí)暗藏在原子相互作用中的空間布局就會(huì)顯露出來(lái)。那么，類似情況是否也適用于時(shí)間尺度？ 

于是，威爾切克提出這樣一個(gè)設(shè)想：在能量最少的狀態(tài)下，是否存在一個(gè)可基于不隨時(shí)間變化的相互作用力仍能執(zhí)行循環(huán)的量子粒子系統(tǒng)。

當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這是不成立的。此后，在 2016 年，有兩個(gè)科研小組使用可被外部因素反復(fù)刺激的系統(tǒng)對(duì)該設(shè)想進(jìn)行了重新驗(yàn)證。他們發(fā)現(xiàn)，在特定的條件下這種系統(tǒng)能進(jìn)入到一種隨時(shí)間變化的模式，并以比刺激物更低的頻率重復(fù)出現(xiàn)。而時(shí)間晶體的一個(gè)顯著特點(diǎn)之一就是低頻率響應(yīng)。 

據(jù)悉，該系統(tǒng)由許多細(xì)小的量子力學(xué)磁體構(gòu)成。這些磁體遵循量子力學(xué)的規(guī)定，能夠一起指向上、下等兩個(gè)相反的方向。 

在該系統(tǒng)中，相鄰磁體的方向一般是相反的，而隨機(jī)選擇的局部磁場(chǎng)會(huì)使每個(gè)磁體趨于一個(gè)方向。此外，研究人員介紹道，“穩(wěn)定的磁脈沖會(huì)周期性作用于磁體，使其翻轉(zhuǎn)，反之亦然?！?nbsp;

也就是說(shuō)，在特定條件下，所有磁體都會(huì)進(jìn)行多次翻轉(zhuǎn)，每受到 2 次脈沖就會(huì)翻轉(zhuǎn) 1 次。而且，研究人員在各種不同的系統(tǒng)都證實(shí)了這個(gè)設(shè)想。 

此次墨爾本大學(xué)物理學(xué)家所帶來(lái)的時(shí)間晶體，含有更多的量子比特，且能夠?qū)⒈忍貭顟B(tài)配置為“0 和 1”或“1 和 0”，帶來(lái)類似于磁體間的相互作用。 

研究人員稱，“對(duì)于相互作用的某些特定條件，57 個(gè)量子比特的初始設(shè)置都保持穩(wěn)定，且每?jī)纱蚊}沖后它們就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)?！?/span>

圖 | 包含 57 個(gè)量子比特的時(shí)間晶體布局（來(lái)源：Science Advances）

但是，據(jù)了解，即使磁體間不存在相互作用，脈沖也能使其發(fā)生 180°的周期性翻轉(zhuǎn)。 

哈佛大學(xué)的凝聚態(tài)理論學(xué)家多米尼克·埃爾斯（Dominic Else）解釋說(shuō)，該時(shí)間晶體能夠誕生的原因，是由于磁體的相互作用使量子粒子系統(tǒng)不受脈沖長(zhǎng)度等微小缺陷的影響，使其結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。 

他表示，“這其實(shí)是一個(gè)物質(zhì)的階段，是多體間的相互作用讓它穩(wěn)定下來(lái)。” 

除磁體間的相互作用強(qiáng)度外，要想讓時(shí)間晶體穩(wěn)定下來(lái)，還需要一種隨機(jī)性來(lái)防止錯(cuò)誤。 

雷切爾稱，“相互作用必須在一組相鄰磁體間發(fā)生隨機(jī)的變化。如果所有磁體間的相互作用強(qiáng)度是相同的，那么一個(gè)磁體若出了問題，就可能導(dǎo)致其他磁體都以錯(cuò)誤的方式翻轉(zhuǎn)?！?nbsp;

此外，他還指出，理論上這種翻轉(zhuǎn)模式能夠一直延續(xù)下去，不過(guò)，其使用的 IBM 量子計(jì)算機(jī)讓該時(shí)間晶體結(jié)構(gòu)保持的周期循環(huán)數(shù)只在 50 個(gè)左右。 

未來(lái)，該時(shí)間晶體或因其穩(wěn)定相互作用而被用在量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)方面，將量子比特的狀態(tài)保留下來(lái)。不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)還需花費(fèi)一定時(shí)間。 

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