2021 年 11 月 30 號(hào)，時(shí)間晶體再次登上《Nature》。

　　時(shí)間晶體是一種神秘的物質(zhì)。

　　理論上，它可以在不同狀態(tài)之間進(jìn)行重復(fù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，而永遠(yuǎn)不會(huì)消耗能量，就像一只手表在沒有電池的情況下永遠(yuǎn)運(yùn)行一樣。

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　　長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)先恐后地想辦法創(chuàng)造這一物質(zhì)。

　　2021 年 11 月 30 日，谷歌量子 AI 的研究人員利用 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出的時(shí)間晶體登上《Nature》。

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

　　經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過(guò)開關(guān)晶體管來(lái)表示數(shù)據(jù) 1 和0，而量子計(jì)算機(jī)則使用量子比特來(lái)表示。由于量子力學(xué)的性質(zhì)，量子比特可以同時(shí)表示 1 和 0 的疊加狀態(tài)。

　　基于一種被稱為「糾纏」的量子效應(yīng)，一臺(tái)擁有 300 個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)理論上可以在一瞬間完成比可見宇宙中的原子數(shù)目更多的計(jì)算次數(shù)。

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　　在今年這項(xiàng)新的研究中，谷歌的研究人員便使用了 20 個(gè)量子比特的系統(tǒng)，目的倒不是為了計(jì)算，而是為了造出時(shí)間晶體。

　　近日，IEEE 對(duì)谷歌研究科學(xué)家 Kostyantyn Kechedzhi 和谷歌高級(jí)研究科學(xué)家 Xiao Mi 進(jìn)行了采訪，他們分別在理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了大量研究。

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　　本文一作 Xiao Mi 于 2012 年獲得康奈爾大學(xué)工程物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，于 2018 年獲得普林斯頓大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，同年進(jìn)入谷歌。

　　研究方向?yàn)樘接懟诔瑢?dǎo)量子比特的中等規(guī)模量子處理器的近期應(yīng)用。

　　時(shí)間晶體=永動(dòng)機(jī)？

什么是時(shí)間晶體？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　晶體是一個(gè)由許多原子組成的系統(tǒng)，由于相互作用，這些原子的運(yùn)動(dòng)在空間中具有周期性。

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　　而時(shí)間晶體是一個(gè)由許多粒子組成的量子系統(tǒng)，這些粒子自身的運(yùn)動(dòng)模式就具有一種周期性，只不過(guò)這種周期性存在于時(shí)間維度上而不在空間維度上，并且永久存在。

可以把時(shí)間晶體和自然界中的物體相比嗎？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　持續(xù)周期運(yùn)動(dòng)在自然界中非常常見。

　　兩個(gè)巨大星球因引力而相互吸引的雙星系統(tǒng)就是最簡(jiǎn)單的例子。這兩個(gè)物體按照周期軌道繞著共同的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。

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　　乍一看，這似乎是一個(gè)時(shí)間晶體的例子。然而，時(shí)間晶體的關(guān)鍵之處在于它是一個(gè)由許多物體相互作用的系統(tǒng)的周期性運(yùn)動(dòng)。

　　相比之下，兩個(gè)巨大星體繞軌道運(yùn)行這種運(yùn)動(dòng)模式其實(shí)并不是重復(fù)的，而是不斷變化的。

　　例如，在太陽(yáng)系中，行星看似遵循近似周期性的軌跡，但行星的真實(shí)運(yùn)動(dòng)卻非常混亂，這意味著如果今天一顆行星的運(yùn)動(dòng)軌跡與既定軌道「差之毫厘」，幾十億年后兩者就完全是「失之千里」。

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　　值得一提的是，熱力學(xué)第二定律假設(shè)由許多相互作用的物體組成的系統(tǒng)總是趨向于更無(wú)序的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這與時(shí)間晶體的嚴(yán)格周期性運(yùn)動(dòng)相矛盾。

　　盡管如此，一個(gè)由許多相互作用的量子物體組成的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出周期性運(yùn)動(dòng)模式，而不會(huì)違反熱力學(xué)第二定律，這是由于一種被稱為多體局域化的基本量子現(xiàn)象。

多體局域化可以幫助時(shí)間晶體保持穩(wěn)定？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　是的。由許多物體組成的局域量子系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特性是，施加到任何一個(gè)物體上的外部脈沖或力，即使再弱，也會(huì)影響它旁邊的物體，但是卻不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。

　　從這個(gè)意義上說(shuō)，系統(tǒng)的響應(yīng)是局部的。相比之下，在一個(gè)混沌系統(tǒng)中，一個(gè)小擾動(dòng)就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。

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　　所以，正是這種局域化現(xiàn)象阻止了時(shí)間晶體從外部吸收能量。

時(shí)間晶體和永動(dòng)機(jī)有多相似？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　在實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到時(shí)間晶體從驅(qū)動(dòng)它行為的脈沖中吸收的能量?jī)糁凳冀K為零。這也許就是為什么它們經(jīng)常被比作永動(dòng)機(jī)。

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　　然而，永動(dòng)機(jī)必須要在沒有外部能源的情況下做功，這便違反了熱力學(xué)定律。相比之下，沒有能量源，時(shí)間晶體的運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)外做功，因此不違反物理定律。

時(shí)間晶體會(huì)隨著時(shí)間分解嗎？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　目前的時(shí)間晶體無(wú)法做到百分百與環(huán)境隔離，而這種與環(huán)境的弱耦合就導(dǎo)致時(shí)間晶體的「壽命」是有限的。

　　換句話說(shuō)，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，現(xiàn)實(shí)中的時(shí)間晶體的周期性運(yùn)動(dòng)模式不會(huì)再重復(fù)。

時(shí)間晶體可能有哪些應(yīng)用？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　時(shí)間晶體就像鐵磁體或超導(dǎo)體一樣，是對(duì)稱性自發(fā)破缺或自發(fā)有序的例子。

　　例如，鐵磁體本質(zhì)上是一個(gè)由微小的磁體組成的系統(tǒng)，這些磁體的磁極都指向一個(gè)方向，所以從這個(gè)意義上講，它是有序的。

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　　而對(duì)稱性在這種狀態(tài)下被「自發(fā)」地打破了，因?yàn)樵谡Ｎ镔|(zhì)中，組成粒子的極點(diǎn)都指向隨機(jī)的方向，這便是對(duì)稱性自發(fā)破缺。

　　對(duì)稱性自發(fā)破缺一旦進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)態(tài)，如鐵磁體或超導(dǎo)體的電阻消失，通常都具有重要的技術(shù)價(jià)值。

時(shí)間晶體為什么很難研究？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　其挑戰(zhàn)在于，量子物質(zhì)無(wú)法與環(huán)境做到完全隔離。

為什么要用量子計(jì)算機(jī)來(lái)創(chuàng)造時(shí)間晶體？

　　Xiao Mi：

　　量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)時(shí)間晶體的首選平臺(tái)，因?yàn)樗鼈冇芯_校準(zhǔn)的量子邏輯門。

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量子邏輯門和傳統(tǒng)的邏輯門有什么區(qū)別？

　　Xiao Mi：

　　量子邏輯門是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)邏輯門的量子計(jì)算版本，其允許以非常高的精度實(shí)現(xiàn)時(shí)間晶體所需的多體相互作用。

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　　以前關(guān)于時(shí)間晶體的研究都是在量子模擬器上進(jìn)行的，而這些平臺(tái)缺乏量子計(jì)算機(jī)的精度。因此，這些實(shí)驗(yàn)存在著許多由于非預(yù)期的相互作用而導(dǎo)致的缺陷。

新研究中展示了什么？

　　Xiao Mi：

　　我們?cè)O(shè)計(jì)了理論上可以呈現(xiàn)時(shí)間晶體相互作用類型的量子電路，并從中收集了數(shù)據(jù)。

　　通過(guò)各種技術(shù)手段，我們驗(yàn)證了這些數(shù)據(jù)與時(shí)間晶體的行為是一致的：

1. 時(shí)間晶體秩的衰減或「融化」只是由外部退相干引起的，而不是系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)。
2. 無(wú)論系統(tǒng)的初始狀態(tài)如何，時(shí)間晶體的特征是存在的。
3. 我們可以確定時(shí)間晶體階段的邊界，也就是它「融化」的地方。

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這些結(jié)果最有趣的是什么？

　　Xiao Mi：

　　理解相互作用的粒子在相變臨界點(diǎn)附近的行為，比如冰變成水的融化溫度，是物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，而量子系統(tǒng)中仍有許多未解之謎。

　　我們能夠確定時(shí)間晶體和量子混沌態(tài)之間的相變點(diǎn)的特征，對(duì)于量子處理器作為科學(xué)研究工具的早期應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常有前途的方向。

　　在這種情況下，由幾十或幾百個(gè)量子比特組成的適度規(guī)模的系統(tǒng)已經(jīng)可以新的提供關(guān)于相變性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)信息。

時(shí)間晶體對(duì)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的作用？

　　Xiao Mi：

　　擁有像時(shí)間晶體這樣穩(wěn)定的抗實(shí)驗(yàn)干擾的物質(zhì)，有助于設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽的量子態(tài)，這是未來(lái)改進(jìn)量子處理器的關(guān)鍵任務(wù)。

　　與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)創(chuàng)造的時(shí)間晶體有什么區(qū)別？

　　https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　代爾夫特實(shí)現(xiàn)了我們?cè)缙诶碚摴ぷ髦懈攀龅囊恍﹨f(xié)議，這些協(xié)議將多體局部時(shí)間晶體與近年來(lái)觀察到的前熱時(shí)間晶體區(qū)分開來(lái)。其中，熱前時(shí)間晶體的特點(diǎn)是內(nèi)在壽命有限，而多體局部時(shí)間晶體的特點(diǎn)是內(nèi)在壽命是無(wú)限長(zhǎng)的。

　　我們的處理器能夠證明時(shí)間晶體的動(dòng)力學(xué)在一定的系統(tǒng)參數(shù)范圍內(nèi)持續(xù)存在。其結(jié)果之一是觀察到了時(shí)間晶體和混沌行為之間的相變。相變的存在表明，時(shí)間晶體是一種不同于更普遍的混沌多體狀態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)，包括熱前時(shí)間晶體。

　　最重要的是，我們?cè)谛卵芯恐忻枋龅膮f(xié)議是可擴(kuò)展的，它可以很容易地應(yīng)用于更大的量子處理器。這是進(jìn)一步理論分析的結(jié)果，大大改進(jìn)了我們先前的工作，而代爾夫特實(shí)驗(yàn)正是基于此。

研究可能的發(fā)展方向？

　　Kostyantyn Kechedzhi：

　　我們的目標(biāo)之一是將量子處理器發(fā)展成為物理學(xué)和化學(xué)的科學(xué)工具。其中，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是減少誤差，從而在未來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算。

　　而這需要通過(guò)硬件的改進(jìn)、算法錯(cuò)誤緩解策略和對(duì)