谷歌華人用時間晶體解開數(shù)十年塵封謎題！永「動」機(jī)再登Nature
2021 年 11 月 30 號，時間晶體再次登上《Nature》。
時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)運動，而永遠(yuǎn)不會消耗能量，就像一只手表在沒有電池的情況下永遠(yuǎn)運行一樣。
長久以來，科學(xué)家們一直在爭先恐后地想辦法創(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 量子計算機(jī)創(chuàng)造出的時間晶體登上《Nature》。
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w
經(jīng)典計算機(jī)通過開關(guān)晶體管來表示數(shù)據(jù) 1 和0，而量子計算機(jī)則使用量子比特來表示。由于量子力學(xué)的性質(zhì)，量子比特可以同時表示 1 和 0 的疊加狀態(tài)。
基于一種被稱為「糾纏」的量子效應(yīng)，一臺擁有 300 個量子比特的量子計算機(jī)理論上可以在一瞬間完成比可見宇宙中的原子數(shù)目更多的計算次數(shù)。
在今年這項新的研究中，谷歌的研究人員便使用了 20 個量子比特的系統(tǒng)，目的倒不是為了計算，而是為了造出時間晶體。
近日，IEEE 對谷歌研究科學(xué)家 Kostyantyn Kechedzhi 和谷歌高級研究科學(xué)家 Xiao Mi 進(jìn)行了采訪，他們分別在理論和實驗方面進(jìn)行了大量研究。
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。
研究方向為探討基于超導(dǎo)量子比特的中等規(guī)模量子處理器的近期應(yīng)用。
時間晶體=永動機(jī)？
什么是時間晶體？
Kostyantyn Kechedzhi：
晶體是一個由許多原子組成的系統(tǒng)，由于相互作用，這些原子的運動在空間中具有周期性。
而時間晶體是一個由許多粒子組成的量子系統(tǒng)，這些粒子自身的運動模式就具有一種周期性，只不過這種周期性存在于時間維度上而不在空間維度上，并且永久存在。
可以把時間晶體和自然界中的物體相比嗎？
Kostyantyn Kechedzhi：
持續(xù)周期運動在自然界中非常常見。
兩個巨大星球因引力而相互吸引的雙星系統(tǒng)就是最簡單的例子。這兩個物體按照周期軌道繞著共同的質(zhì)心運動。
乍一看，這似乎是一個時間晶體的例子。然而，時間晶體的關(guān)鍵之處在于它是一個由許多物體相互作用的系統(tǒng)的周期性運動。
相比之下，兩個巨大星體繞軌道運行這種運動模式其實并不是重復(fù)的，而是不斷變化的。
例如，在太陽系中，行星看似遵循近似周期性的軌跡，但行星的真實運動卻非常混亂，這意味著如果今天一顆行星的運動軌跡與既定軌道「差之毫厘」，幾十億年后兩者就完全是「失之千里」。
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)總是趨向于更無序的運動狀態(tài)，這與時間晶體的嚴(yán)格周期性運動相矛盾。
盡管如此，一個由許多相互作用的量子物體組成的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出周期性運動模式，而不會違反熱力學(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)的一個關(guān)鍵特性是，施加到任何一個物體上的外部脈沖或力，即使再弱，也會影響它旁邊的物體，但是卻不會影響整個系統(tǒng)。
從這個意義上說，系統(tǒng)的響應(yīng)是局部的。相比之下，在一個混沌系統(tǒng)中，一個小擾動就會影響整個系統(tǒng)。
所以，正是這種局域化現(xiàn)象阻止了時間晶體從外部吸收能量。
時間晶體和永動機(jī)有多相似？
Kostyantyn Kechedzhi：
在實驗中，我們觀察到時間晶體從驅(qū)動它行為的脈沖中吸收的能量凈值始終為零。這也許就是為什么它們經(jīng)常被比作永動機(jī)。
然而，永動機(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，時間晶體的運動不會對外做功，因此不違反物理定律。
時間晶體會隨著時間分解嗎？
Kostyantyn Kechedzhi：
目前的時間晶體無法做到百分百與環(huán)境隔離，而這種與環(huán)境的弱耦合就導(dǎo)致時間晶體的「壽命」是有限的。
換句話說，在足夠長的時間后，現(xiàn)實中的時間晶體的周期性運動模式不會再重復(fù)。
時間晶體可能有哪些應(yīng)用？
Kostyantyn Kechedzhi：
時間晶體就像鐵磁體或超導(dǎo)體一樣，是對稱性自發(fā)破缺或自發(fā)有序的例子。
例如，鐵磁體本質(zhì)上是一個由微小的磁體組成的系統(tǒng)，這些磁體的磁極都指向一個方向，所以從這個意義上講，它是有序的。
而對稱性在這種狀態(tài)下被「自發(fā)」地打破了，因為在正常物質(zhì)中，組成粒子的極點都指向隨機(jī)的方向，這便是對稱性自發(fā)破缺。
對稱性自發(fā)破缺一旦進(jìn)入一個穩(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)價值。
時間晶體為什么很難研究？
Kostyantyn Kechedzhi：
其挑戰(zhàn)在于，量子物質(zhì)無法與環(huán)境做到完全隔離。
為什么要用量子計算機(jī)來創(chuàng)造時間晶體？
Xiao Mi：
量子計算機(jī)是實現(xiàn)時間晶體的首選平臺，因為它們有精確校準(zhǔn)的量子邏輯門。
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)計算機(jī)邏輯門的量子計算版本，其允許以非常高的精度實現(xiàn)時間晶體所需的多體相互作用。
以前關(guān)于時間晶體的研究都是在量子模擬器上進(jìn)行的，而這些平臺缺乏量子計算機(jī)的精度。因此，這些實驗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：
我們設(shè)計了理論上可以呈現(xiàn)時間晶體相互作用類型的量子電路，并從中收集了數(shù)據(jù)。
通過各種技術(shù)手段，我們驗證了這些數(shù)據(jù)與時間晶體的行為是一致的：
- 時間晶體秩的衰減或「融化」只是由外部退相干引起的，而不是系統(tǒng)的內(nèi)部動力學(xué)。
- 無論系統(tǒng)的初始狀態(tài)如何，時間晶體的特征是存在的。
- 我們可以確定時間晶體階段的邊界，也就是它「融化」的地方。
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附近的行為，比如冰變成水的融化溫度，是物理學(xué)中一個長期存在的問題，而量子系統(tǒng)中仍有許多未解之謎。
我們能夠確定時間晶體和量子混沌態(tài)之間的相變點的特征，對于量子處理器作為科學(xué)研究工具的早期應(yīng)用來說，是一個非常有前途的方向。
在這種情況下，由幾十或幾百個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)的實驗信息。
時間晶體對量子計算機(jī)發(fā)展的作用？
Xiao Mi：
擁有像時間晶體這樣穩(wěn)定的抗實驗干擾的物質(zhì)，有助于設(shè)計長壽的量子態(tài)，這是未來改進(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：
代爾夫特實現(xiàn)了我們早期理論工作中概述的一些協(xié)議，這些協(xié)議將多體局部時間晶體與近年來觀察到的前熱時間晶體區(qū)分開來。其中，熱前時間晶體的特點是內(nèi)在壽命有限，而多體局部時間晶體的特點是內(nèi)在壽命是無限長的。
我們的處理器能夠證明時間晶體的動力學(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間晶體和混沌行為之間的相變。相變的存在表明，時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)，包括熱前時間晶體。
最重要的是，我們在新研究中描述的協(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，而代爾夫特實驗正是基于此。
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，從而在未來實現(xiàn)容錯量子計算。
而這需要通過硬件的改進(jìn)、算法錯誤緩解策略和對
