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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上不可能存在「時間晶體」這種奇異的物相，但現在事實已經擺在我們的面前了。

和人們想象中的永動機一樣，時間晶體在各狀態之間永久循環而不消耗能量。物理學家聲稱已經在量子計算機中構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現。

在本周四于預印版論文平臺 arXiv 上發布的論文《Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》中，來自谷歌和斯坦福、普林斯頓等大學的研究者們表示，他們已經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等機構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造了時間晶體。物理學界最近一段時間的發展讓人看到了新世界。

谷歌等機構提交的論文，作者超過 100 人。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2107.13571

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

「這是一個驚人的結果：它跳出了熱力學第二定律（孤立系統自發熵增），」德國德累斯頓馬克斯 · 普朗克復雜系統物理研究所所長、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，該規則指穩定物體在極長時間內保持不變的傳統規則。時間晶體既穩定又不斷變化，在特殊時刻呈現周期性。

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：這些物質的組成的原子處于環境溫度允許的最低能量狀態，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：即使處于激發態和演化態，它仍然有秩序和完美的穩定性。

「我們正在研究的是一個全新的，激動人心的領域，」斯坦福大學的凝聚態物理學家 Vedika Khemani 說道。她在研究生期間就與他人合作發現了這個新物相，并于近期與谷歌合著了新論文。

普林斯頓的 Khemani、Moessner、Shivaji Sondhi 和英國拉夫堡大學的 Achilleas Lazarides 于 2015 年發現了新物相的可能性并描述了其關鍵特性。不久以后，微軟 Station Q 的 Chetan Nayak 和加州大學圣巴巴拉分校領導的一組物理學家將其定義為時間晶體。

在過去五年中，科學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。「我們有充分理由認為這些實驗都沒有完全成功，谷歌這樣的量子計算系統有條件完成更據說服力的實驗。」牛津大學凝聚態物理學家 John Chalker 說道。

谷歌的量子計算團隊在 2019 年首次實現了量子優越性，因超越常規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計的，并不具有基礎科學探索意義。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印版及其他近期成果，研究人員實現了對于量子計算機的最初期望——物理學家理查德 · 費曼（Richard Feynman）在 1982 年發表的論文中認為，量子計算機可以用來模擬任何可以想象的量子系統中的粒子。

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

一個不可能的想法，復活了

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獎得主 Frank Wilczek 于 2012 年在一堂普通的（空間）晶體課上提出。「如果你考慮空間中的晶體，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 年諾貝爾物理學獎得主、麻省理工學院教授 Frank Wilczek。

以金剛石為例，它是一團由碳原子形成的結晶相。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。物理學家說，它「自發地打破空間平移對稱」。只有能量最小的平衡態才能以這種方式自發地打破空間對稱。

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

Wilczek 提出的時間晶體與掛鐘截然不同。掛鐘也經歷周期性運動，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，因為這個系統處于超穩定的平衡狀態。

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

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

那一年，普林斯頓大學的博士生 Khemani 和她的導師 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，美國物理學家安得森（P. W. Anderson）首先預測，如果在導體內加入雜質，電子在傳導時會被這些雜質散射，多重散射波則發生互相干擾，結果能導致電子的運動停止，金屬的導電性消失，呈現出絕緣體的性質。

這一預測后來被實驗證實，安得森也因此榮獲諾貝爾物理學獎。人們稱此由于摻雜而導致的導電狀態到絕緣狀態的現象為安得森局域化（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 發現，隨機性（比如晶格中存在的隨機缺陷）會導致電子波崩潰，還會對它自身產生相消干涉，并在除一個小區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。但 2005 年，普林斯頓大學和哥倫比亞大學的三位物理學家證明，一維量子粒子鏈可以經歷多體局域化，也就是說，它們都會被困在一個固定的狀態。這種現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的方式波動并迅速對齊。但它們之間的隨機干涉會導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。它們會無限期地保持上、下、下、上的自旋。

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

2014 年，Khemani 在學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 系統的研究。Floquet 系統是一種周期性驅動的系統，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的影響強度發生周期性的變化。Moessner、Lazarides、Sondhi 和 Khemani 研究的是多體局域化系統以這種方式周期性驅動時會發生什么。他們在計算和模擬中發現，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，在兩個不同的多體局域化狀態之間循環往復，而不會從激光中吸收任何凈能量。

他們把這一發現叫做 pi spin-glass phase（角度 pi 表示 180 度翻轉）。在 2015 年的一篇預印本論文中，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 和時間晶體聯系起來。

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

但在上述論文預印版與正式版發表之間還發生了一個插曲：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 月份發布了一篇預印版論文，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 時間晶體表現出 Wilczek 所設想的那種行為，但這只在外部能量源周期性驅動的情況下才能發生。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。由于它是一個多體局域化系統，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動，該系統也不會升溫。相反，它在局域化狀態之間無限地來回循環。

激光已經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，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是激光的倍數。

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、自發對稱破缺等語言描述了它，這些都是物理學基本概念。除了這些更吸引人的術語，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 等人的研究發表在 2016 年 8 月的《Physical Review Letters 》上，比 Khemani 等人關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實世界中創造出時間晶體。

完美的平臺

Nayak 的團隊與馬里蘭大學的 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》上發表了一篇文章，聲稱他們已將被捕獲的離子轉化為近似的或「預熱的（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之間跳躍）實際上與真正的時間晶體無法區分。但與金剛石不同的是，這種預熱時間晶體不是永恒的。如果實驗運行的時間足夠長，系統會逐漸平衡，周期行為就會崩潰。

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

同時，Sycamore 的開發人員也在尋找與他們的機器有關的東西，這臺機器太容易出錯，無法運行專門為成熟量子計算機設計的密碼學和搜索算法。當 Khemani 及其同事聯系到 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）或一些化學問題等。」

量子計算機不是下一代超級計算機——它們完全是兩回事。當我們開始談論它們的潛在應用之前，我們需要了解驅動量子計算理論的基礎物理學。

量子計算機由「量子比特」組成，量子比特本質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，標記為 0 和 1。當量子比特交互時，它們可以同時處理指數級的可能性，從而實現計算優勢。

谷歌的量子比特由超導鋁條組成。每個都有兩種可能的能量狀態，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勢在于它能夠調整其量子比特之間的相互作用強度。這種可調性是系統成為時間晶體的關鍵：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生相消干涉，使成行的自旋實現多體局域化。量子比特可以鎖定一組方向模式而不是對齊。

研究者給自旋設置了任意的初始配置，例如：向上、向下、向下、向上等。可以用微波將向上指向的自旋翻轉為向下，反之亦然。通過為每個初始配置運行數萬個演示，并在每次運行時在不同時間后測量量子比特的狀態，研究者能夠觀察到自旋系統在兩個多體局域化狀態之間來回翻轉。

這種新物相的標志是極端的穩定性。即使溫度波動，冰仍然是冰。事實上，研究者發現微波脈沖只需要將自旋翻轉大約 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，系統的無序仍然保持不變。

7 月 5 日，荷蘭代爾夫特理工大學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建了 Floquet 時間晶體。這一系統比谷歌量子處理器中實現的時間晶體更小、更有限。

目前尚不清楚 Floquet 時間晶體是否具有實際用途。但它的穩定性對 Moessner 來說似乎很有希望。「像這樣穩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，時間晶體揭示了關于時間本質的深刻意義。他說：「通常在物理學中，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。」

在統一方面，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構：時空。但即使在他的理論中，單向時間也是獨一無二的。而發現了時間晶體之后，「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一。空間晶體處于平衡狀態，相應地，它們打破了連續的空間平移對稱性。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，這一發現為時間和空間之間的區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進行。凝聚態物理學家過去常常關注自然界的各個物相，現在 Chalker 說 ：「是時候將研究重點從大自然賦予我們的東西，轉向想象量子力學允許的奇異物質形式了。」

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

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

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