上，时光水晶又在《Nature》上。 时间水晶是一种神秘的物质。 理论上，它可以在不消耗能量的情况下在状态之间进行重复的运动循环，就像没有电池永远走的手表一样。 长期以来，科学家们一直在争先恐后地弄清楚如何制造这种物质。 2021年11月30日，GoogleQuantumAI研究人员使用Sycamore量子计算机创建的时间晶体在《Nature》上着陆。 https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w 经典计算机通过开关晶体管来表示数据1和0，而量子计算机则使用量子比特来表示数据。由于量子力学的特性，量子比特可以同时表示1和0的叠加。 基于一种叫做“纠缠”的量子效应，拥有300个量子比特的量子计算机理论上可以在瞬间完成比可见宇宙中的原子数量更多的计算。 在今年的这项新研究中，谷歌研究人员使用了一个20量子位的系统，不是用于计算，而是用于创建时间晶体。 近日，IEEE采访了谷歌研究科学家KostyantynKechedzhi和谷歌高级研究科学家小米，他们分别在理论和实验方面做了大量研究。 本文的第一作者小米，2012年获得康奈尔大学工程物理学士学位，2012年获得博士学位。2018年获得普林斯顿大学物理学博士学位，同年加入谷歌。 的研究方向是探索基于超导量子比特的中型量子处理器的近期应用。 时间水晶=永动机？什么是时间水晶？ KostyantynKechedzhi: 晶体是由许多原子组成的系统，由于相互作用，这些原子在空间中呈周期性运动。 时间水晶是由众多粒子组成的量子系统。这些粒子的运动规律是有周期性的，只是这个周期性存在于时间维度，而不是空间维度，而且是永远存在的。时间晶体可以与自然界中的物体相提并论吗？ KostyantynKechedzhi: 连续的周期性运动在自然界中很常见。 最简单的例子是双星系统，其中两颗大质量行星通过引力相互吸引。这两个物体围绕一个共同的质心在周期性的轨道上运动。 乍一看，这似乎是一个时间水晶的例子。然而，时间晶体的关键在于它是由许多相互作用的物体组成的系统的周期性运动。 相比之下，两颗巨星绕行的运动模式不是重复的，而是不断变化的。 比如在太阳系中，行星似乎遵循着近似周期性的轨迹，但行星的真实运动是非常混乱的，这意味着如果一颗行星今天的轨迹与既定轨道存在“差异”，数十亿年后，两者将彻底“相去千里”。 值得一提的是，热力学第二定律假设由许多相互作用的物体组成的系统总是倾向于更无序的运动状态，这与时间晶体的严格周期运动相矛盾。 尽管如此，由于基本的量子现象，许多相互作用的量子物体的系统可以在不违反热力学第二定律的情况下表现出周期性的运动模式。多体定位能否帮助时间晶体保持稳定？ KostyantynKechedzhi: 是的。由许多物体组成的局部量子系统的一个关键特性是，施加到任何一个物体上的外部脉冲或力，无论多么微弱，都会影响它旁边的物体，但不会影响整个系统。 从这个意义上讲，系统的响应是局部的。相反，在混沌系统中，一个小的扰动就会影响整个系统。 所以，正是这种定位，让时间水晶无法从外界吸收能量。时间晶体与永动机有多相似？ KostyantynKechedzhi： 在实验中，我们观察到时间晶体从驱动其行为的脉冲中吸收的净能量始终为零。这也许就是为什么它们经常被比作永动机的原因。 但是，永动机必须在没有外来能量的情况下做功，这违反了热力学定律。相比之下，在没有能源的情况下，时间晶体的运动不做外功，因此并不违反物理定律。时间晶体会随着时间分解吗？ KostyantynKechedzhi： 当前的时间晶体不能100%与环境隔离，这种与环境的弱耦合导致时间晶体的“寿命”有限。 也就是说，经过足够长的时间后，现实中时间晶体的周期性运动模式不会重演。时间晶体有哪些可能的应用？ KostyantynKechedzhi： 时间晶体，如铁磁体或超导体，是自发对称破缺或自发有序的例子。 例如，铁磁体本质上是一个微型磁体系统，它们的磁极都指向一个方向，所以从这个意义上说它是有序的。 对称性在这种状态下是“自发”破缺的，因为在正常物质中，组成粒子的极点都指向随机的方向，这就是自发的对称性破缺。 一旦进入稳态自发对称破缺，如铁磁体或超导体的电阻消失，通常具有重要的技术价值。为什么时间晶体如此难以研究？ KostyantynKechedzhi： 挑战在于量子物质不能与环境完全隔离。为什么要用量子计算机来制造时间晶体？ 小米： 量子计算机是实现时间晶体的首选平台，因为它们具有精确校准的量子逻辑门。量子逻辑门和传统逻辑门有什么区别？ 小米： 量子逻辑门是传统计算机逻辑门的量子计算版本，它可以以非常高的精度实现时间晶体所需的多体交互。 之前关于时间晶体的研究都是在量子模拟器上进行的，这些平台缺乏量子计算机的精度。因此，这些实验由于意外的交互而存在许多缺陷。新研究显示了什么？ 小米： 我们设计了理论上可以表现出时间晶体相互作用类型的量子电路，并从中收集了数据。 通过各种技术手段，我们验证了这些数据与时间晶体的行为是一致的：时间晶体等级的衰减或“熔化”只是外部退相干引起的，而不是系统内部动力学引起的。时间晶体的特性与系统的初始状态无关。我们可以确定时间晶相的边界，即它“熔化”的地方。这些结果最有趣的是什么？ 小米： 了解相互作用粒子在相变临界点附近的行为，例如冰变成水的熔化温度，是物理学中一个长期存在的问题，还有很多未解决的问题量子系统中的问题。揭开谜底。 我们能够表征时间晶体和量子混沌态之间的相变点，对于早期将量子处理器用作科学研究工具是一个非常有前途的方向。 在这种情况下，由数十或数百个量子位组成的适度缩放系统已经可以提供有关相变性质的新实验信息。时间晶体在量子计算机发展中的作用？ 小米： 拥有像时间晶体这样稳定且抗实验扰动的材料可以帮助设计长寿命的量子态，这是未来改进量子处理器的关键任务。 和荷兰代尔夫特理工大学创造的时间水晶有什么区别？ https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603 KostyantynKechedzhi： 代尔夫特实施了我们早期理论工作中概述的一些协议，用于多体本地时间晶体，区别于前热时间晶体近年来观察到的晶体。其中，前热时间晶体具有有限的固有寿命，而多体局部时间晶体具有无限的固有寿命。 我们的处理器能够证明时间晶体的动态在某些系统参数内持续存在。结果之一是观察到时间晶体和混沌行为之间的相变。相变的存在表明时间晶体是一种不同于更普遍的混沌多体状态的物质状态，包括前热时间晶体。 最重要的是，我们在新研究中描述的协议是可扩展的，并且可以轻松应用于更大的量子处理器。这是进一步理论分析的结果，极大地改进了我们以前的工作，代尔夫特实验正是基于这些工作。可能的研究方向？ KostyantynKechedzhi： 我们的目标之一是开发量子处理器作为物理和化学领域的科学工具。其中，关键的挑战是减少错误，从而在未来实现容错量子计算。 ，这需要硬件改进、算法错误缓解策略和
