墨爾本大學實體學家制造出目前最大時間晶體，或可用于量子計算機存儲

2021 年，谷歌宣布首次使用自研量子計算機創造出時間晶體（Time Crystals），該時間晶體通過局部可觀測性推翻了時間平移對稱性理論，并保留對不确定初始狀态的記憶。

近日，來自澳洲墨爾本大學的實體學家菲利普·弗雷（Philipp Frey）與斯蒂芬·雷切爾（Stephan Rachel）再次将時間晶體搬上世界舞台。

據悉，他們運作基于 IBM 研發的量子計算機，程式設計出一個包含 57 個量子比特的時間晶體。時間晶體是“一個可以時間上鎖定一個永久循環的量子粒子系統”，類似于實際晶體中原子的空間重複分布模式。

相關論文以《離散時間晶體在 57 量子比特量子計算機上的實作》（Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer）為題發表在了Science Advances上。

圖 | 相關論文（來源：Science Advances）

該時間晶體超越了谷歌此前的成果，成為目前最大的時間晶體。雷切爾表示，“整個項目是由我、菲利普，還有一台筆記本電腦來完成的，大概花了 6 個月的時間。”

該研究成果展現了量子計算機的特有實力，即能夠模拟出原本僅會存在于理論世界中的複雜系統。微軟工程師、凝聚态實體學家切坦·納亞克（Chetan Nayak）評價道，“這項研究所需的運算量太大了，沒有一個傳統計算機可以完成，是以這絕對是一個重要的進步。”

值得一提的是，研究人員重點探索了該時間晶體的随機初始狀态，還通過對比消失和有限無序兩種情形深入認識了多體局部化和預熱化動力學的不同。

圖 | 時間晶體和熱動力學的特征（來源：Science Advances）

據了解，時間晶體一詞最早是由美國麻省理工學院教授、理論實體學家弗蘭克·威爾切克（Frank Wilczek）于 2012 年提出的。

當時，他正在思考普通晶體的原子空間格局是從何而來。

威爾切克提到，由于原子間力的方程并無特定限制，所有原子都有相同的機率出現在任何地方，且原子足夠冷卻時就會自發地出現。

不過，隻要有幾個原子開始彼此貼近，就可以預測出下一個原子的位置，這時暗藏在原子互相作用中的空間布局就會顯露出來。那麼，類似情況是否也适用于時間尺度？

于是，威爾切克提出這樣一個設想：在能量最少的狀态下，是否存在一個可基于不随時間變化的互相作用力仍能執行循環的量子粒子系統。

當時的實驗結果證明，這是不成立的。此後，在 2016 年，有兩個科研小組使用可被外部因素反複刺激的系統對該設想進行了重新驗證。他們發現，在特定的條件下這種系統能進入到一種随時間變化的模式，并以比刺激物更低的頻率重複出現。而時間晶體的一個顯著特點之一就是低頻率響應。

據悉，該系統由許多細小的量子力學磁體構成。這些磁體遵循量子力學的規定，能夠一起指向上、下等兩個相反的方向。

在該系統中，相鄰磁體的方向一般是相反的，而随機選擇的局部磁場會使每個磁體趨于一個方向。此外，研究人員介紹道，“穩定的磁脈沖會周期性作用于磁體，使其翻轉，反之亦然。”

也就是說，在特定條件下，所有磁體都會進行多次翻轉，每受到 2 次脈沖就會翻轉 1 次。而且，研究人員在各種不同的系統都證明了這個設想。

此次墨爾本大學實體學家所帶來的時間晶體，含有更多的量子比特，且能夠将比特狀态配置為“0 和 1”或“1 和 0”，帶來類似于磁體間的互相作用。

研究人員稱，“對于互相作用的某些特定條件，57 個量子比特的初始設定都保持穩定，且每兩次脈沖後它們就會恢複到原來的狀态。”

圖 | 包含 57 個量子比特的時間晶體布局（來源：Science Advances）

但是，據了解，即使磁體間不存在互相作用，脈沖也能使其發生 180°的周期性翻轉。

哈佛大學的凝聚态理論學家多米尼克·埃爾斯（Dominic Else）解釋說，該時間晶體能夠誕生的原因，是由于磁體的互相作用使量子粒子系統不受脈沖長度等微小缺陷的影響，使其結構變得穩定。

他表示，“這其實是一個物質的階段，是多體間的互相作用讓它穩定下來。”

除磁體間的互相作用強度外，要想讓時間晶體穩定下來，還需要一種随機性來防止錯誤。

雷切爾稱，“互相作用必須在一組相鄰磁體間發生随機的變化。如果所有磁體間的互相作用強度是相同的，那麼一個磁體若出了問題，就可能導緻其他磁體都以錯誤的方式翻轉。”

此外，他還指出，理論上這種翻轉模式能夠一直延續下去，不過，其使用的 IBM 量子計算機讓該時間晶體結構保持的周期循環數隻在 50 個左右。

未來，該時間晶體或因其穩定互相作用而被用在量子計算機存儲方面，将量子比特的狀态保留下來。不過，要實作這一點還需花費一定時間。

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參考：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

https://www.science.org/content/article/physicists-produce-biggest-time-crystal-yet