?今天，時(shí)間晶體再次迎來(lái)新秀，登上了Sceince子刊。

時(shí)間晶體就像「永動(dòng)機(jī)」一樣，在各種狀態(tài)之間能夠永久往復(fù)地不斷消耗能量。

科學(xué)家稱，「我們已經(jīng)用IBM量子計(jì)算機(jī)造出迄今為止最大的時(shí)間晶體，還是谷歌的2倍多。」

就連2016證明時(shí)間晶體存在的凝聚態(tài)物理學(xué)家Chetan Nayak表示，「這肯定是一個(gè)重大突破」。

突破在哪？

2位來(lái)自墨爾本大學(xué)的物理學(xué)家Philipp Frey和Stephan Rachel提供了一個(gè)更大的量子位演示。

目前，最新研究Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer在3月2日發(fā)表在Science Advaces。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

這種新型的時(shí)間晶體由57個(gè)量子粒子構(gòu)成，是谷歌科學(xué)家去年模擬的20個(gè)量子粒子的時(shí)間晶體的2倍多。

?由于新型的時(shí)間晶體很大，傳統(tǒng)的電腦沒有辦法進(jìn)行模擬。

研究者Frey和Rachel單獨(dú)進(jìn)行了這次大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，Rachel表示，「只有我，還有我的研究生Frey，另加一臺(tái)筆記本電腦。實(shí)驗(yàn)大概持續(xù)了6個(gè)月?！?/span>

這次研究，科學(xué)家便使用了IBM最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn遠(yuǎn)程模擬，并對(duì)57量子比特上的離散時(shí)間晶體（DTC）進(jìn)行了觀察。

57個(gè)量子比特用于離散時(shí)間晶體（DTC）的模擬

量子比特可以同時(shí)設(shè)置為0和1或者1和0，通過(guò)編程使它們像磁鐵一樣相互作用。

研究人員表示，「對(duì)于它們相互作用的某些設(shè)置，研究人員發(fā)現(xiàn)，任何57個(gè)量子位的初始設(shè)置，比如011011011110... ，都保持穩(wěn)定，每?jī)纱蚊}沖都能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)?！?/span>

量子比特可以取0和1之間各種復(fù)雜值

這么一看，這個(gè)結(jié)果好像有些平平無(wú)奇。畢竟，哪怕磁鐵之間沒有相互作用，脈沖也會(huì)讓它們翻轉(zhuǎn)180°，產(chǎn)生一樣的半頻響應(yīng)。

哈佛大學(xué)的一位凝聚態(tài)物理學(xué)家Dominic Else解釋道，「是什么讓這個(gè)系統(tǒng)成為時(shí)間晶體的呢？是磁鐵之間相互作用的方式，這種方式讓這種結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定?！?/span>

這就使得這個(gè)系統(tǒng)不會(huì)受一些瑕疵影響，比方說(shuō)，哪怕脈沖的長(zhǎng)度不夠，磁鐵也能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。Else說(shuō)，「這其實(shí)是一個(gè)物質(zhì)的階段。多體間的相互作用讓它穩(wěn)定下來(lái)?！?/span>

奇怪的是，單單提高磁鐵間的相互作用力的強(qiáng)度是不夠的。相鄰的兩個(gè)磁鐵間的相互作用必須得隨機(jī)的不同。如果所有的磁鐵間的相互作用都一樣強(qiáng)，那么有一個(gè)磁鐵出錯(cuò)了，就會(huì)導(dǎo)致其它的磁鐵出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。

正是這種隨機(jī)性，才不會(huì)讓出現(xiàn)的錯(cuò)誤傳導(dǎo)，才能讓時(shí)間晶體穩(wěn)定下來(lái)。

Rachel表示，「實(shí)驗(yàn)并不是完美的。這種翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)按理來(lái)說(shuō)應(yīng)該能無(wú)限的持續(xù)下去。但I(xiàn)BM的量子計(jì)算機(jī)的量子比特大概只能讓這個(gè)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定50個(gè)循環(huán)?！?/span>

最后，穩(wěn)定的相互作用效果可能被應(yīng)用在把一串量子比特的狀態(tài)保留下來(lái)，作為量子計(jì)算機(jī)的一種存儲(chǔ)方式。但是，最終實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)肯定會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。

時(shí)間晶體從何來(lái)？

時(shí)間晶體這一新奇的概念的最早可以追溯到2012年，由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek最先提出。

時(shí)間晶體能自發(fā)打破被Wilczek稱為「對(duì)稱性之母」的時(shí)間平移對(duì)稱性。

Wilczek教授表示，「時(shí)間晶體經(jīng)歷周期性運(yùn)動(dòng)，每隔一段時(shí)間就會(huì)回到最初的形態(tài)。」

也就是說(shuō)，它可以隨著時(shí)間改變，但是會(huì)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。

其實(shí)，時(shí)間晶體是一種打破熱力學(xué)認(rèn)知的物體，很多科學(xué)家都認(rèn)為這種物質(zhì)并不存在。

然而，在2016年，加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校和微軟的研究人員根據(jù)pi spin-glass phase提出了Floquet「時(shí)間晶體」的存在。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1603.08001.pdf

這一次，他們考慮了從外部不斷刺激該系統(tǒng)的方法。在合適的條件下，他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)系統(tǒng)可以鎖進(jìn)一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的結(jié)構(gòu)中，以低于外部刺激的頻率不斷重復(fù)。而這種更低頻率的反饋就是時(shí)間晶體的特征。

該系統(tǒng)由一串微小的量子物理磁鐵構(gòu)成，磁鐵可以指上或者指下，甚至根據(jù)量子物理學(xué)的奇怪規(guī)則，還能兩邊同時(shí)指。

在這串磁鐵當(dāng)中，相鄰的磁鐵通常會(huì)以相反的方向排列，從而降低能量。而隨機(jī)選擇的一個(gè)局部磁場(chǎng)會(huì)讓每一個(gè)磁鐵能指向一個(gè)方向或另一個(gè)方向。

穩(wěn)定的磁脈沖流也會(huì)周期性地讓磁鐵翻轉(zhuǎn)（下轉(zhuǎn)上或上轉(zhuǎn)下）。具體的思路是，在合適的條件下，磁鐵的任何指向都會(huì)不斷地翻轉(zhuǎn)，每有兩次脈沖就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次。

實(shí)驗(yàn)人員還在各種不同的系統(tǒng)都證實(shí)了這種思路。從鉆石中的電子，到容器中的離子，再到量子計(jì)算機(jī)中的量子比特，無(wú)論是什么系統(tǒng)都可以。

去年，100多位研究人員參與了谷歌的時(shí)間晶體模擬，并稱用谷歌量子計(jì)算機(jī)觀察到了時(shí)間晶體。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2107.13571.pdf

有了時(shí)間晶體，我們就有了永動(dòng)機(jī)？

時(shí)間晶體是一種量子粒子系統(tǒng)，被鎖在一段永恒的時(shí)間循環(huán)中。這有點(diǎn)像原子在一個(gè)真實(shí)的晶體中不斷重復(fù)的空間形態(tài)。

新型時(shí)間晶體證明了量子計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)的能力。沒有量子計(jì)算機(jī)幫助，新型時(shí)間晶體可能只會(huì)存在于物理學(xué)家的理論中。

量子計(jì)算機(jī)為物理學(xué)家提供了一個(gè)平臺(tái)，來(lái)設(shè)計(jì)和研究在自然界中找不到的物質(zhì)新狀態(tài)。

當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展仍處于初級(jí)階段。但隨著改進(jìn)，它們將允許物理學(xué)家提高對(duì)自然的基本理解。

反之，又能轉(zhuǎn)化為技術(shù)創(chuàng)新，就像上個(gè)世紀(jì)的物理學(xué)促成塑造我們今天生活的數(shù)字革命一樣。

而時(shí)間晶體僅僅標(biāo)志著這一令人興奮的努力的開始。?