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作者：Natalie Wolchover

機器之心編譯

機器之心編輯部

人們一直認為物理學(xué)上不可能存在「時間晶體」這種奇異的物相，但現(xiàn)在事實已經(jīng)擺在我們的面前了。

和人們想象中的永動機一樣，時間晶體在各狀態(tài)之間永久循環(huán)而不消耗能量。物理學(xué)家聲稱已經(jīng)在量子計算機中構(gòu)建了這種全新的物相。這可能是近幾十年來最為重大的一次物理發(fā)現(xiàn)。

在本周四于預(yù)印版論文平臺 arXiv 上發(fā)布的論文《Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》中，來自谷歌和斯坦福、普林斯頓等大學(xué)的研究者們表示，他們已經(jīng)使用谷歌的量子計算機展示了一種真正的「時間晶體」。

此外，來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等機構(gòu)的研究團隊本月早些時候也于論文《Observation of a many-body-localized discrete time crystal with a programmable spin-based quantum simulator》中聲稱在金剛石中創(chuàng)造了時間晶體。物理學(xué)界最近一段時間的發(fā)展讓人看到了新世界。

谷歌等機構(gòu)提交的論文，作者超過 100 人。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2107.13571

作為物理學(xué)家多年來一直努力期望實現(xiàn)的全新物質(zhì)階段，時間晶體是一種物相，其某部分不斷規(guī)律、重復(fù)地往復(fù)運動，而且是在不消耗任何能量的情況下保持這種變化的。

「這是一個驚人的結(jié)果：它跳出了熱力學(xué)第二定律（孤立系統(tǒng)自發(fā)熵增），」德國德累斯頓馬克斯 · 普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所所長、谷歌論文的合著者 Roderich Moessner 說道。

時間晶體也是第一個自行打破「時間平移對稱性」的物體，該規(guī)則指穩(wěn)定物體在極長時間內(nèi)保持不變的傳統(tǒng)規(guī)則。時間晶體既穩(wěn)定又不斷變化，在特殊時刻呈現(xiàn)周期性。

時間晶體是物相的新類別，擴展了物相的定義。所有其他已知物相，如水或冰，都處于熱平衡狀態(tài)：這些物質(zhì)的組成的原子處于環(huán)境溫度允許的最低能量狀態(tài)，并且它們的特性不隨時間變化。時間晶體是第一個「不平衡」物相：即使處于激發(fā)態(tài)和演化態(tài)，它仍然有秩序和完美的穩(wěn)定性。

「我們正在研究的是一個全新的，激動人心的領(lǐng)域，」斯坦福大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家 Vedika Khemani 說道。她在研究生期間就與他人合作發(fā)現(xiàn)了這個新物相，并于近期與谷歌合著了新論文。

普林斯頓的 Khemani、Moessner、Shivaji Sondhi 和英國拉夫堡大學(xué)的 Achilleas Lazarides 于 2015 年發(fā)現(xiàn)了新物相的可能性并描述了其關(guān)鍵特性。不久以后，微軟 Station Q 的 Chetan Nayak 和加州大學(xué)圣巴巴拉分校領(lǐng)導(dǎo)的一組物理學(xué)家將其定義為時間晶體。

在過去五年中，科學(xué)家們爭相尋找時間晶體，但之前的一些研究雖然按照研究人員設(shè)置的條件取得了成功，但未能滿足確定時間晶體存在所需的所有標準?！肝覀冇谐浞掷碛烧J為這些實驗都沒有完全成功，谷歌這樣的量子計算系統(tǒng)有條件完成更據(jù)說服力的實驗?！古＝虼髮W(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家 John Chalker 說道。

谷歌的量子計算團隊在 2019 年首次實現(xiàn)了量子優(yōu)越性，因超越常規(guī)計算機的能力登上了 Nature 封面。不過當時展示的算法是為了速度目標而設(shè)計的，并不具有基礎(chǔ)科學(xué)探索意義。新的時間晶體研究標志著量子計算機第一次站在了前人無法企及的高度。

「這就是谷歌量子處理器的絕妙之處，」Nayak 說道。

谷歌量子計算機的處理器。

通過昨天提交的論文預(yù)印版及其他近期成果，研究人員實現(xiàn)了對于量子計算機的最初期望——物理學(xué)家理查德 · 費曼（Richard Feynman）在 1982 年發(fā)表的論文中認為，量子計算機可以用來模擬任何可以想象的量子系統(tǒng)中的粒子。

時間晶體讓這一愿景成為了現(xiàn)實。鑒于其精密而復(fù)雜的內(nèi)部機制，自然界本身可能永遠不會創(chuàng)造出這樣的量子形態(tài)。在極小的空間尺度上，大自然最令人費解的法則激發(fā)了想象力，讓我們看到了「不可能」的現(xiàn)象。

一個不可能的想法，復(fù)活了

時間晶體最初的概念有一個致命的缺陷。

這一概念由諾貝爾物理學(xué)獎得主 Frank Wilczek 于 2012 年在一堂普通的（空間）晶體課上提出?！溉绻憧紤]空間中的晶體，那么你會很自然地去想時間上晶體行為的分類，」Frank Wilczek 告訴《量子雜志》。

2004 年諾貝爾物理學(xué)獎得主、麻省理工學(xué)院教授 Frank Wilczek。

以金剛石為例，它是一團由碳原子形成的結(jié)晶相。在空間中，這個原子團每一處都受相同的方程式支配，但它的形式具有周期性的空間變化，原子位于晶格點上。物理學(xué)家說，它「自發(fā)地打破空間平移對稱」。只有能量最小的平衡態(tài)才能以這種方式自發(fā)地打破空間對稱。

Wilczek 設(shè)想了一個處于平衡態(tài)的多部分物體，很像金剛石。但這個物體打破了時間平移對稱性：它經(jīng)歷周期性運動，每隔一段時間就會回到最初的形態(tài)。

Wilczek 提出的時間晶體與掛鐘截然不同。掛鐘也經(jīng)歷周期性運動，但它的指針會消耗能量，并在能量耗盡后停止走動。相比之下，Wilczekian 時間晶體不需要輸入，但能一直保持周期性運動，因為這個系統(tǒng)處于超穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

這聽起來似乎難以置信，也在物理學(xué)界引起了很大爭議。2014 年，加州大學(xué)伯克利分校等機構(gòu)的研究者發(fā)表了一篇論文，表明 Wilczek 的設(shè)想是行不通的，就像之前所有關(guān)于永動機的想法一樣。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1410.2143.pdf

那一年，普林斯頓大學(xué)的博士生 Khemani 和她的導(dǎo)師 Sondhi 正在研究多體局域化（many-body localization），這是安得森局域化（Anderson Localization）的一種擴展。1958 年，美國物理學(xué)家安得森（P. W. Anderson）首先預(yù)測，如果在導(dǎo)體內(nèi)加入雜質(zhì)，電子在傳導(dǎo)時會被這些雜質(zhì)散射，多重散射波則發(fā)生互相干擾，結(jié)果能導(dǎo)致電子的運動停止，金屬的導(dǎo)電性消失，呈現(xiàn)出絕緣體的性質(zhì)。

這一預(yù)測后來被實驗證實，安得森也因此榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。人們稱此由于摻雜而導(dǎo)致的導(dǎo)電狀態(tài)到絕緣狀態(tài)的現(xiàn)象為安得森局域化（Anderson Localization），可以理解為一組列隊整齊的部隊從整齊的馬路走上崎嶇不平的路時會降低整齊度或停下來。

電子最好用波來描述，它在不同地方的高度給出了在那里探測到該粒子的概率。波會隨著時間推移自然擴散。但 Philip Anderson 發(fā)現(xiàn)，隨機性（比如晶格中存在的隨機缺陷）會導(dǎo)致電子波崩潰，還會對它自身產(chǎn)生相消干涉，并在除一個小區(qū)域之外的所有地方抵消。

多年以來，人們一直以為多個粒子之間的相互作用會破壞干涉效應(yīng)。但 2005 年，普林斯頓大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的三位物理學(xué)家證明，一維量子粒子鏈可以經(jīng)歷多體局域化，也就是說，它們都會被困在一個固定的狀態(tài)。這種現(xiàn)象將成為時間晶體的第一要素。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/cond-mat/0506617.pdf

想象一排粒子，每個粒子都有一個磁性方向（即「自旋」），這個方向可以是向上、向下或二者都有。假設(shè)前四個自旋方向分別是：上、下、下、上。如果可以的話，自旋將會以量子力學(xué)的方式波動并迅速對齊。但它們之間的隨機干涉會導(dǎo)致這排粒子卡在某個特定的位置，這使其無法重新排列并進入熱平衡狀態(tài)。它們會無限期地保持上、下、下、上的自旋。

Sondhi 和他的合作者發(fā)現(xiàn)，多體局域化系統(tǒng)可以表現(xiàn)出一種特殊的順序，這將成為時間晶體的第二個關(guān)鍵要素：如果你翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的所有自旋（變成下、上、上、下），你會得到另一個穩(wěn)定的多體局域化狀態(tài)。

2014 年，Khemani 在學(xué)院輪休假期間于馬普所加入了 Sondhi 的研究。在那里，Moessner 和 Lazarides 專注于 Floquet 系統(tǒng)的研究。Floquet 系統(tǒng)是一種周期性驅(qū)動的系統(tǒng)，比如被特定頻率的激光刺激的晶體。激光的強度以及它對系統(tǒng)的影響強度發(fā)生周期性的變化。Moessner、Lazarides、Sondhi 和 Khemani 研究的是多體局域化系統(tǒng)以這種方式周期性驅(qū)動時會發(fā)生什么。他們在計算和模擬中發(fā)現(xiàn)，當你用激光以一種特定的方式刺激一個局域化自旋鏈時，它們會來回翻轉(zhuǎn)，在兩個不同的多體局域化狀態(tài)之間循環(huán)往復(fù)，而不會從激光中吸收任何凈能量。

他們把這一發(fā)現(xiàn)叫做 pi spin-glass phase（角度 pi 表示 180 度翻轉(zhuǎn)）。在 2015 年的一篇預(yù)印本論文中，他們提出了這種新物相（phase of matter）的概念，即第一個多體非平衡相。但論文中并沒有提到「時間晶體」這個詞。2016 年，他們在發(fā)表于《Physical Review Letters》上的新版本中添加了這個詞，并在致謝中感謝審稿人將 pi spin-glass phase 和時間晶體聯(lián)系起來。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1508.03344v1.pdf

但在上述論文預(yù)印版與正式版發(fā)表之間還發(fā)生了一個插曲：Wilczek 之前帶的一個研究生 Nayak 和他的合著者 Dominic Else、Bela Bauer 于 2016 年 3 月份發(fā)布了一篇預(yù)印版論文，他們以 Khemani 等人提出的 pi spin-glass phase 為例表明了 Floquet 時間晶體物體的存在。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1603.08001.pdf

Floquet 時間晶體表現(xiàn)出 Wilczek 所設(shè)想的那種行為，但這只在外部能量源周期性驅(qū)動的情況下才能發(fā)生。這種時間晶體繞過了 Wilczek 最初想法的缺陷，因為它從不聲稱處于熱平衡狀態(tài)。由于它是一個多體局域化系統(tǒng)，它的自旋或其他部分無法達到平衡；它們被困在原地。但盡管有激光或其他驅(qū)動，該系統(tǒng)也不會升溫。相反，它在局域化狀態(tài)之間無限地來回循環(huán)。

激光已經(jīng)打破了一排自旋所有時刻之間的對稱，取而代之的是「離散時間平移對稱」。也就是說，只有在激光的每個周期之后才有相同的條件。但之后，通過前后翻轉(zhuǎn)，這行自旋進一步打破了激光施加的離散時間平移對稱，因為它自己的周期循環(huán)是激光的倍數(shù)。

Khemani 和她的合著者詳細描述了這種物相，但 Nayak 的團隊用時間、對稱性、自發(fā)對稱破缺等語言描述了它，這些都是物理學(xué)基本概念。除了這些更吸引人的術(shù)語，他們還提供了新的理解角度，并把 Floquet 時間晶體的概念擴展到了 pi spin-glass phase 之外（指出它所具有的某種對稱性是不需要的）。Nayak 等人的研究發(fā)表在 2016 年 8 月的《Physical Review Letters 》上，比 Khemani 等人關(guān)于新物相首個例證的論文晚了兩個月。

兩個研究團隊都聲稱他們是這個想法的初始提出者。從那時起，他們和其他研究者開始爭相在現(xiàn)實世界中創(chuàng)造出時間晶體。

完美的平臺

Nayak 的團隊與馬里蘭大學(xué)的 Chris Monroe 合作，后者使用電磁場來捕獲和控制離子。上個月，該研究團隊在《Science》上發(fā)表了一篇文章，聲稱他們已將被捕獲的離子轉(zhuǎn)化為近似的或「預(yù)熱的（prethermal）」時間晶體。它的周期性變化（在該論文中指離子在兩種狀態(tài)之間跳躍）實際上與真正的時間晶體無法區(qū)分。但與金剛石不同的是，這種預(yù)熱時間晶體不是永恒的。如果實驗運行的時間足夠長，系統(tǒng)會逐漸平衡，周期行為就會崩潰。

Khemani、Sondhi 和 Moessner 等人的研究也在繼續(xù)。2019 年，谷歌宣布其 Sycamore 量子計算機在 200 秒內(nèi)完成了一項傳統(tǒng)計算機 10000 年才能完成的任務(wù)。Moessner 表示，該研究的發(fā)表讓他和他的同事意識到：「Sycamore 處理器包含實現(xiàn) Floquet 時間晶體所需的東西，可作為其基本構(gòu)建塊?！?/p>

同時，Sycamore 的開發(fā)人員也在尋找與他們的機器有關(guān)的東西，這臺機器太容易出錯，無法運行專門為成熟量子計算機設(shè)計的密碼學(xué)和搜索算法。當 Khemani 及其同事聯(lián)系到 Google 的理論研究者 Kostya Kechedzhi 時，他和他的團隊很快同意在時間晶體項目上進行合作。Kechedzhi 介紹說：「我們的工作，不僅是離散時間晶體，還有一些其他項目，包括用我們的量子計算機研究新物理（new physics）或一些化學(xué)問題等?！?/p>

量子計算機不是下一代超級計算機——它們完全是兩回事。當我們開始談?wù)撍鼈兊臐撛趹?yīng)用之前，我們需要了解驅(qū)動量子計算理論的基礎(chǔ)物理學(xué)。

量子計算機由「量子比特」組成，量子比特本質(zhì)上是可控的量子粒子，每個粒子都可以同時保持兩種可能的狀態(tài)，標記為 0 和 1。當量子比特交互時，它們可以同時處理指數(shù)級的可能性，從而實現(xiàn)計算優(yōu)勢。

谷歌的量子比特由超導(dǎo)鋁條組成。每個都有兩種可能的能量狀態(tài)，可以通過編程來表示向上或向下的自旋。Kechedzhi 等研究者在 demo 中使用了一個具有 20 個量子比特的芯片作為時間晶體。

或許該機器相對于其競爭對手的主要優(yōu)勢在于它能夠調(diào)整其量子比特之間的相互作用強度。這種可調(diào)性是系統(tǒng)成為時間晶體的關(guān)鍵：程序員可以隨機化量子比特的相互作用強度。這種隨機性在它們之間產(chǎn)生相消干涉，使成行的自旋實現(xiàn)多體局域化。量子比特可以鎖定一組方向模式而不是對齊。

研究者給自旋設(shè)置了任意的初始配置，例如：向上、向下、向下、向上等?？梢杂梦⒉▽⑾蛏现赶虻淖孕D(zhuǎn)為向下，反之亦然。通過為每個初始配置運行數(shù)萬個演示，并在每次運行時在不同時間后測量量子比特的狀態(tài)，研究者能夠觀察到自旋系統(tǒng)在兩個多體局域化狀態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)。

這種新物相的標志是極端的穩(wěn)定性。即使溫度波動，冰仍然是冰。事實上，研究者發(fā)現(xiàn)微波脈沖只需要將自旋翻轉(zhuǎn)大約 180 度，不一定非那么精確，因為自旋在兩個脈沖后會返回到它們的確切初始方向，就像小船自己扶正一樣。此外，自旋從未吸收或耗散來自微波激光的凈能量，系統(tǒng)的無序仍然保持不變。

7 月 5 日，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的一個研究團隊報告稱：他們沒有借助量子處理器，而是利用金剛石中碳原子的核自旋構(gòu)建了 Floquet 時間晶體。這一系統(tǒng)比谷歌量子處理器中實現(xiàn)的時間晶體更小、更有限。

目前尚不清楚 Floquet 時間晶體是否具有實際用途。但它的穩(wěn)定性對 Moessner 來說似乎很有希望。「像這樣穩(wěn)定的東西是不尋常的，特別的東西往往能變得很有用」，Moessner 說。

或許這種狀態(tài)只是在概念上有用。這是第一個非平衡相的例子，也是最簡單的例子，但研究人員懷疑更多這樣的物相在物理上是可能的。

Nayak 認為，時間晶體揭示了關(guān)于時間本質(zhì)的深刻意義。他說：「通常在物理學(xué)中，無論你多么努力地將『時間』視為另一個維度，它總是一種異常值?！?/p>

在統(tǒng)一方面，愛因斯坦做出了最好的嘗試，他將 3D 空間與時間編織成一個四維結(jié)構(gòu)：時空。但即使在他的理論中，單向時間也是獨一無二的。而發(fā)現(xiàn)了時間晶體之后，「時間突然變成了一個普通的維度，」Nayak 說到。

然而，Chalker 認為時間仍是一個異常值。他說 Wilczek 的時間晶體本將是時間和空間的真正統(tǒng)一?？臻g晶體處于平衡狀態(tài)，相應(yīng)地，它們打破了連續(xù)的空間平移對稱性。而在時間的情況下，只有離散的時間平移對稱性可能會被時間晶體打破，這一發(fā)現(xiàn)為時間和空間之間的區(qū)別提供了一個新的角度。

伴隨著探索量子計算機的無限可能性，這些科研討論將繼續(xù)進行。凝聚態(tài)物理學(xué)家過去常常關(guān)注自然界的各個物相，現(xiàn)在 Chalker 說 ：「是時候?qū)⒀芯恐攸c從大自然賦予我們的東西，轉(zhuǎn)向想象量子力學(xué)允許的奇異物質(zhì)形式了?！?/p>

原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/

? THE END

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原標題：《谷歌量子計算機造出時間晶體：跳出熱力學(xué)第二定律的「永動機」出現(xiàn)了？》

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