盡管如今的量子計算機仍處于發(fā)展的早期階段，但它已經(jīng)有能力做一些事情了。比如，創(chuàng)造一種叫做“時間晶體”（Time crystal）的新物質(zhì)相。

“時間晶體”這一概念由諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek在2012年首次提出。與水晶的結(jié)構(gòu)在空間中重復類似，時間晶體在時間上呈周期性重復——它不需要任何進一步的能量輸入就能夠無限重復，像“永動機”一樣。

當?shù)貢r間11月30日，國際知名期刊《自然》上發(fā)表的一項論文中，一個國際研究團隊詳細介紹了他們使用谷歌的“懸鈴木”（Sycamore）量子計算硬件創(chuàng)建的時間晶體。

“總的來說，我們正在采用未來會成為量子計算機的設(shè)備，我們將其視為復雜的量子系統(tǒng)。”論文作者之一、斯坦福大學博士后Matteo Ippoliti表示，“我們不是在計算，而是將計算機作為一個實現(xiàn)和檢測物質(zhì)新相的新實驗平臺。”

對于團隊來說，他們?nèi)〉贸删偷呐d奮不僅是創(chuàng)造了一個新的物質(zhì)相，還在于開辟了探索凝聚態(tài)物理領(lǐng)域新機制的機會。該領(lǐng)域研究系統(tǒng)中許多對象的集體相互作用所帶來的新現(xiàn)象和特性，這種交互比單個對象的屬性可以豐富得多。

“時間晶體是物質(zhì)的新型非平衡量子相的一個明顯例子，”該論文的通訊作者、斯坦福大學物理學助理教授Vedika Khemani表示，“雖然我們對凝聚態(tài)物理的大部分理解都基于平衡系統(tǒng)，不過，這些新的量子設(shè)備為我們提供了一個迷人的窗口，可以了解多體物理學中的新非平衡狀態(tài)。”

研究人員制作這種時間晶體的方式像培養(yǎng)果蠅，并給予其一些刺激。

物理學中的果蠅是伊辛模型，這是一類描述物質(zhì)相變的隨機過程（stochastic process）模型，可用于理解各種物理現(xiàn)象（包括相變和磁性）。伊辛模型由一個晶格組成，其中每個位置都被一個粒子占據(jù)，該粒子可以處于兩種狀態(tài)，表示為自旋向上或向下。

Khemani在讀研究生期間、她的博士生導師 Shivaji Sondhi以及馬克斯-普朗克復雜系統(tǒng)物理研究所的 Achilleas Lazarides 和 Roderich Moessner 無意中發(fā)現(xiàn)了這種制造時間晶體的方法。

當時，他們正在研究非平衡多體局部化系統(tǒng)，就是粒子“卡在”其開始狀態(tài)且永遠無法放松到平衡狀態(tài)的系統(tǒng)。

他們嘗試探索這些系統(tǒng)被激光定期擊中時，其可能發(fā)展的階段。他們找到了穩(wěn)定的非平衡相，還發(fā)現(xiàn)粒子的自旋在時間上永遠重復的模式中翻轉(zhuǎn)，其周期是激光驅(qū)動周期的兩倍，從而形成時間晶體。

激光的周期性沖擊為晶體的動態(tài)建立了特定的節(jié)奏。通常，旋轉(zhuǎn)的“舞蹈”應(yīng)該與這種節(jié)奏同步，而時間晶體則不然。與之相反，自旋在兩種狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)，只有在被激光擊中兩次后才能完成一個循環(huán)。這意味著系統(tǒng)的“時間平移對稱性”被打破。

對稱性在物理學中十分重要。對稱性的打破解釋了規(guī)則晶體、磁鐵和許多其他現(xiàn)象的起源。然而，時間平移對稱性與其他對稱性不同，它不能在平衡狀態(tài)下被打破。周期性的沖擊是一個漏洞，讓時間晶體成為可能。

振蕩周期的倍增并不尋常，但也不是前所未有。長期的振蕩在少粒子系統(tǒng)的量子動力學中也很常見。

時間晶體的獨特之處在于，它是一個由數(shù)百萬粒子組成的系統(tǒng)，但能在沒有任何能量流入或流出的情況下表現(xiàn)出協(xié)調(diào)一致的行為。

此前，許多研究團隊的不少實驗都實現(xiàn)了各種近乎時間晶體的成果。不過，提供“多體定位（many-body localization）”（這一現(xiàn)象使時間晶體無限穩(wěn)定）配方中的所有成分仍然是一個突出挑戰(zhàn)。

此項研究中，Khemani等人與谷歌量子AI團隊合作，他們使用谷歌的Sycamore量子計算硬件，使用量子比特對20次“自旋”進行編程。

研究人員通過量子計算機的特殊能力證實了他們所稱的真實的時間晶體。不過，由于量子設(shè)備并不完美，其尺寸和相干時間有限，這意味著他們的實驗在尺寸和持續(xù)時間上有限——只能觀察到幾百個周期而不是無限期的時間晶體振蕩。為了評估產(chǎn)出的穩(wěn)定性，研究人員還設(shè)計了各種方案，包括在時間上向前和向后運行模擬并縮放其大小。

“我們設(shè)法利用量子計算機的多功能性來幫助分析其自身的局限性，”論文作者之一、馬克斯普朗克復雜系統(tǒng)物理研究所所長Moessner表示，“本質(zhì)上，它告訴我們?nèi)绾渭m正自己的錯誤，以便從有限時間的觀測中確定理想時間結(jié)晶行為的指紋。” 

理想的時間晶體有一個關(guān)鍵特征：其在所有狀態(tài)下都表現(xiàn)無限振蕩。驗證這種對狀態(tài)選擇的穩(wěn)健性是一項關(guān)鍵的實驗挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計了一種協(xié)議，只需運行1次機器就能探測超過100萬個時間晶體的狀態(tài)，而且只用幾毫秒的運行時間。

“我們量子處理器的一個獨特之處在于它能夠創(chuàng)造高度復雜的量子態(tài)，”論文作者之一、谷歌研究員Xiao Mi表示，“這些狀態(tài)能有效驗證物質(zhì)的相位結(jié)構(gòu)，而不用調(diào)查整個計算空間。這原本是一項棘手的任務(wù)。”

此項研究的成果也表明，量子計算機在計算以外越來越有用。“我很樂觀，有了更多更好的量子比特，我們的方法可以成為研究非平衡動力學的主要方法。”論文作者之一、谷歌研究員Pedram Roushan表示。