科學家打造出世界最大時間晶體，包含57個量子位

近日，科學家已經成功打造出由57個量子位組成的時間晶體，其量子位數量是谷歌時間晶體的兩倍多。

2021年11月，谷歌團隊利用超導量子處理器「懸鈴木」(Sycamore)實現了由20個量子位組成的時間晶體。

本次，澳大利亞墨爾本大學的兩位物理學家使用鏈狀的57個超導量子位組成離散時間晶體(DTC)，成為目前世界上最大的時間晶體。相關研究成果3月2日發表於《科學進展》(Science Advaces)。

微軟公司凝聚態物理學家Chetan Nayak評價道，此次量子位數量是如此龐大，傳統計算機無法進行模擬，「所以這絕對是一項重大突破」。這項研究展示了量子計算機模擬複雜系統的能力，否則這些複雜的時間晶體系統可能只存在於物理學家的理論中。

「時間晶體」(Time crystal)這一概念最早由諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek在2012年提出。Wilczek認為，時間晶體這一新物質相，可以自發打破時間平移對稱性，即時間晶體經歷周期性運動，每隔一段時間就會回到最初形態。

簡單來說，類似於水晶的結構在空間中不斷重複，時間晶體在時間上呈周期性重複——它不需要任何進一步的能量輸入就能夠無限重複，就猶如一座「永動機」。

Wilczek所提出的「時間晶體」可以具體稱為連續時間晶體(Continuous Time Crystal)。此後，法國萊布尼茨獎得主Patrick Bruno提出這一量子時間晶體模型並不能成立，日本物理理論學家Haruki Watanabe等也證明了在熱力學極限下不存在量子時間晶體。

直到2015年，波蘭物理學家Krzysztof Sacha第一次明確引入離散時間對稱性自發破缺的概念，離散時間晶體理論的發展呈現一片欣欣向榮。

當一百多名研究人員致力於谷歌量子計算機的模擬工作時，墨爾本大學的Philipp Frey和Stephan Rachel獨立完成了本次研究。

二人使用IBM最先進的量子計算機ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn進行遠程模擬，對57個量子位組成的離散時間晶體展開觀察。「（整個實驗）只有我、我的研究生和一台筆記本電腦。」Rachel表示整個研究項目持續了半年左右。

由於量子的疊加特性，量子位可以同時設置為0、1或者0和1，通過編程使其像磁鐵一樣相互作用。

研究人員表示，在量子位相互作用的某些設置中，任何57個量子位的初始設置（比如011011011110… ）都保持穩定，每兩次脈衝就會回到原始狀態。

乍一看，這一觀點似乎平平無奇。畢竟，哪怕磁鐵沒有相互作用，每一個脈衝都會使它們翻轉180度，產生這種半頻響應。但哈佛大學凝聚態理論學家Dominic Else解釋道，正是相互作用穩定了時間晶體的結構，才使該系統成為時間晶體。這使得系統對一些缺陷免疫，例如即使在脈衝不夠長的情況下，也能產生翻轉。「這其實是物質的一個階段，通過多體間的相互作用來使其穩定。」Else說道。

但是，只提高量子位相互作用的力度是不夠的。Rachel解釋說，這種相互作用也必須隨機地根據一對相鄰量子位的變化而變化。例如，如果所有的磁鐵都以相同的力度相互作用，那麼其中一個磁鐵出了問題，就可能導致鏈條上其他磁鐵也翻轉到錯誤的方向。隨機性則阻止了這種錯誤，並使時間晶體穩定。

他認為目前的實驗還不夠完美，這種翻轉的結構應該會無限期地持續下去，但IBM量子計算機中的量子位元只夠模擬大約50個周期。

Rachel認為，時間晶體最終可能被用來儲存一串量子位元的狀態，成為量子計算機的一種存儲方式。但實現這項突破，還需要更多的時間。