谷歌時(shí)間晶體登上Nature，諾獎得主重大猜想成為現(xiàn)實(shí)

沒有能量的供給，沒有能量的消耗，它的循環(huán)運(yùn)動會永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

時(shí)間晶體就像是一個(gè)「永動機(jī)」在不同狀態(tài)之間永久循環(huán)往復(fù)而不消耗任何能量。來自斯坦福大學(xué)、谷歌、馬克思 · 普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所和牛津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)聲稱已經(jīng)在量子計(jì)算機(jī)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)。

11 月 30 日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志提前發(fā)表時(shí)間晶體重要研究《Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》，展示了谷歌 Quantum AI 團(tuán)隊(duì)通過量子計(jì)算機(jī)獲得的發(fā)現(xiàn)：

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w

多年來，科學(xué)家們對時(shí)間晶體存在的可能性進(jìn)行了理論分析，并一直試圖觀察到時(shí)間晶體。通過谷歌的量子處理器 Sycamore，我們現(xiàn)在終于知道這是可能的。

「我們使用未來量子計(jì)算機(jī)的原形，將之視為復(fù)雜量子系統(tǒng)，」斯坦福大學(xué)博士后，論文共同作者 Matteo Ippoliti 說道?！肝覀儾皇窃谟?jì)算，而是將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)平臺來實(shí)現(xiàn)和檢測物質(zhì)的新階段?！?/p>

對于研究團(tuán)隊(duì)來說，新研究的成功不僅僅是意味著創(chuàng)造新的物相，還在于開辟了探索凝聚態(tài)物理領(lǐng)域新機(jī)制的機(jī)會，在這一層面上，粒子的相互作用可能帶來新現(xiàn)象和特性。大量粒子的交互可能比單個(gè)對象的屬性豐富得多。

「時(shí)間晶體是物質(zhì)的新型非平衡量子相的一個(gè)突出例子，」斯坦福大學(xué)物理助理教授，論文作者之一 Vedika Khemani 表示?！肝覀儗δ蹜B(tài)物理的大部分理解都基于平衡系統(tǒng)，而這些新的量子設(shè)備為我們提供了一個(gè)全新窗口，可以讓我們了解物理學(xué)中的全新非平衡狀態(tài)?！?/p>

有了時(shí)間晶體，我們就擁有了永動機(jī)？

凝聚態(tài)物理學(xué)對于大多數(shù)人來說可能有點(diǎn)過于高深，在做出判斷之前我們要先理解時(shí)間晶體到底是什么。

這一概念是由諾貝爾物理學(xué)獎得主，MIT 教授 Frank Wilczek 于 2012 年在一堂普通的（空間）晶體課上提出的。

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

平衡狀態(tài)的液體或氣體是由均勻分布的粒子構(gòu)成的，呈現(xiàn)出完美的空間對稱性——它們看起來每個(gè)地方，每個(gè)方向上都一樣。在能量極低位置時(shí)，大多數(shù)物質(zhì)不能保持對稱性，而會結(jié)晶。晶體的規(guī)則幾何形狀缺少完整的空間對稱性：結(jié)構(gòu)不會處處相同。因?yàn)榫w在能量非常低的時(shí)候?qū)ΨQ性減少了。此時(shí)，物理學(xué)家會說，這些晶體出現(xiàn)自發(fā)對稱性破壞。

時(shí)間晶體能自發(fā)打破被 Wilczek 稱為「對稱性之母」的時(shí)間平移對稱性，它可以隨著時(shí)間改變，但是會持續(xù)回到開始時(shí)的相同形態(tài)，如同鐘表的指針周期性地回到原始位置。

與鐘表或者其他周期性的過程不同的是，時(shí)間水晶和空間水晶一樣是最低限度能量的一種狀態(tài)。這似乎是一個(gè)矛盾——時(shí)間水晶根據(jù)定義為破壞時(shí)間平移對稱性，必須隨著時(shí)間改變。但是擁有最低能量的體系通常不能運(yùn)動。如果它可以動，那么就有額外能量輸出，直到這個(gè)體系達(dá)到真正的最低能量即靜止?fàn)顟B(tài)。

研究人員制作這種物質(zhì)的方式就像培養(yǎng)果蠅，并給與其正確的刺激。

物理學(xué)中的果蠅是 Ising 模型，這是一種用于理解各種物理現(xiàn)象（包括相變和磁性）的長期工具，它由一個(gè)晶格組成，其中每個(gè)位置都被一個(gè)粒子占據(jù)，該粒子可以處于兩種狀態(tài)，表示為自旋向上或下降。

在博士研究生期間，Khemani 和她當(dāng)時(shí)還在普林斯頓大學(xué)的博士生導(dǎo)師 Shivaji Sondhi，以及馬克斯 · 普朗克復(fù)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(shí)間晶體的方法。當(dāng)時(shí)他們正在研究非平衡多體局域系統(tǒng)——粒子在它們開始的狀態(tài)下會「卡住」并且永遠(yuǎn)不能轉(zhuǎn)換至平衡狀態(tài)的系統(tǒng)。

他們試圖探索物相在被激光定期擊中時(shí)可能會發(fā)展的情況。出乎預(yù)料的是，他們不僅設(shè)法找到了穩(wěn)定的非平衡相，而且還發(fā)現(xiàn)粒子的自旋在永遠(yuǎn)重復(fù)的模式之間翻轉(zhuǎn)，其周期是激光驅(qū)動周期的兩倍，從而形成了時(shí)間晶體。

激光的周期性沖擊為晶體的動態(tài)建立了特定節(jié)奏。通常，旋轉(zhuǎn)的「舞蹈」應(yīng)該與這種節(jié)奏同步，但在時(shí)間晶體中則不然。與之相反的是，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(gè)循環(huán)。這意味著系統(tǒng)的「時(shí)間平移對稱性」被打破。

對稱性在物理學(xué)中扮演著重要的角色，它經(jīng)常被打破——這是解釋規(guī)則晶體、磁鐵和許多其他現(xiàn)象的基礎(chǔ)。然而時(shí)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(gè)漏洞，讓時(shí)間晶體成為可能。

振蕩周期的倍增是不尋常的，但也并非前所未有。長期的振蕩在量子動力學(xué)的少粒子系統(tǒng)中也很常見。時(shí)間晶體的獨(dú)特之處在于，它是一個(gè)由數(shù)以百萬計(jì)的粒子組成的系統(tǒng)，卻在沒有任何能量進(jìn)入或泄漏的情況下，具有同樣的表現(xiàn)。

「這是物質(zhì)的一個(gè)完全穩(wěn)定的階段，你不能微調(diào)參數(shù)或狀態(tài)，但你的系統(tǒng)仍然是量子的,」Sondhi 說，他是牛津大學(xué)的物理學(xué)教授，也是這篇論文的合著者?！笡]有能量的供給，沒有能量的消耗，它會永遠(yuǎn)持續(xù)下去，包括許多強(qiáng)烈相互作用的粒子?！?/p>

雖然這聽起來可能有點(diǎn)像「永動機(jī)」，但仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，時(shí)間晶體并沒有打破任何物理定律。熵——系統(tǒng)無序程度的一種度量——會隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定，它不會減少并邊際上滿足熱力學(xué)第二定律。

在時(shí)間晶體計(jì)劃的開發(fā)和量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)之間，許多不同團(tuán)隊(duì)的研究人員實(shí)現(xiàn)了各種近似于時(shí)間晶體的里程碑的成果。然而，提供「多體定位」(使時(shí)間晶體具有無限穩(wěn)定性的現(xiàn)象) 配方中的所有成分仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。

對于 Khemani 和合作者來說，在時(shí)間水晶研究上取得成功的最后一步是與谷歌量子人工智能團(tuán)隊(duì)合作。這個(gè)小組共同使用谷歌的 Sycamore 量子計(jì)算硬件，利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子比特編程 20 個(gè)「自旋」。

11 月，《Science》刊登了另一篇關(guān)于時(shí)間晶體的文章，揭示了目前人們對時(shí)間晶體的強(qiáng)烈興趣。這種晶體是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員利用鉆石內(nèi)部的量子比特制造出來的。

量子的機(jī)遇

由于量子計(jì)算機(jī)的特殊功能，研究人員得以證實(shí)所聲稱的真正的時(shí)間晶體。雖然當(dāng)前量子裝置的有限尺寸和相干時(shí)間意味著他們的實(shí)驗(yàn)在尺寸和持續(xù)時(shí)間上是有限的（時(shí)間晶體振蕩只能觀察幾百個(gè)周期而不是無限期），研究人員設(shè)計(jì)了各種方案來評估產(chǎn)出的穩(wěn)定性，其中包括向前和向后的運(yùn)行模擬并縮放大小。

裝有谷歌 Sycamore 芯片的冷卻系統(tǒng)內(nèi)部。

「我們設(shè)法利用量子計(jì)算機(jī)的多功能性來幫助我們分析它自身的局限性,」論文的合著者之一、馬普所復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所主任 Moessner 說?！杆鼘?shí)質(zhì)上告訴了我們?nèi)绾渭m正自身的錯(cuò)誤，以便從有限時(shí)間的觀測中確定理想時(shí)間結(jié)晶表現(xiàn)的機(jī)制。」

理想的時(shí)間晶體的一個(gè)關(guān)鍵特征是，它在所有狀態(tài)下都會表現(xiàn)出無限的振蕩。驗(yàn)證這種對于狀態(tài)選擇的穩(wěn)健性是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)協(xié)議，在機(jī)器的一次運(yùn)行中探測超過 100 萬個(gè)狀態(tài)的時(shí)間晶體，只需要幾毫秒的運(yùn)行時(shí)間。這就像從多個(gè)角度觀察一個(gè)物理晶體以驗(yàn)證它的重復(fù)結(jié)構(gòu)。

「我們量子處理器的一個(gè)獨(dú)特之處在于它能夠創(chuàng)造出高度復(fù)雜的量子態(tài),」谷歌研究員、論文的第一作者之一 Xiao Mi 說?！高@些狀態(tài)能讓物質(zhì)的相位結(jié)構(gòu)被有效地驗(yàn)證，而無需調(diào)查整個(gè)計(jì)算空間，這原本是一個(gè)難以處理的任務(wù)?！?/p>

在基礎(chǔ)水平上創(chuàng)造物質(zhì)的新階段無疑是令人興奮的。此外，事實(shí)表明量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算之外的應(yīng)用方面越來越可用?！赣辛烁嗟牧孔颖忍兀覀兊姆椒梢猿蔀檠芯糠瞧胶鈶B(tài)動力學(xué)的主要方法,」谷歌研究員、論文作者之一 Pedram Roushan 說。

「我們認(rèn)為目前量子計(jì)算機(jī)最令人興奮的用途是作為基礎(chǔ)量子物理學(xué)的平臺,」Ipppoliti 說?！笐{借這些系統(tǒng)的獨(dú)特性能，有希望發(fā)現(xiàn)一些你沒有預(yù)料到的新現(xiàn)象?！?/p>

研究者介紹

Xiao Mi、Matteo Ippoliti 二人均對這項(xiàng)研究做出了重要貢獻(xiàn)。Xiao Mi 在康奈爾大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，在普林斯頓大學(xué)獲得博士學(xué)位。他在《Nature》、《Science》主刊和子刊以及其他頂尖期刊上發(fā)表過多篇量子相關(guān)的研究。

2018 年 7 月，Xiao Mi 加入谷歌任研究科學(xué)家，主要探索基于超導(dǎo)量子比特的中型量子處理器的應(yīng)用。

Matteo Ippoliti 現(xiàn)為斯坦福大學(xué)物理系和 Geballe 先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者。他在意大利比薩大學(xué)獲得學(xué)士和碩士學(xué)位，后在普林斯頓大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。從 2015 年開始，Matteo Ippoliti 一直從事量子物理學(xué)的研究。

參考內(nèi)容：

https://news.stanford.edu/2021/11/30/time-crystal-quantum-computer/

https://blog.google/inside-google/googlers/ask-techspert-what-exactly-time-crystal/