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編輯：好困 小鹹魚
【新智元導讀】2021年11月30号，時間晶體再次登上《Nature》。
時間晶體是一種神秘的物質。
理論上，它可以在不同狀态之間進行重複的循環運動，而永遠不會消耗能量，就像一隻手表在沒有電池的情況下永遠運作一樣。
長久以來，科學家們一直在争先恐後地想辦法創造這一物質。
2021年11月30日，谷歌量子AI的研究人員利用Sycamore量子計算機創造出的時間晶體登上《Nature》。
經典計算機通過開關半導體來表示資料1和0，而量子計算機則使用量子比特來表示。由于量子力學的性質，量子比特可以同時表示1和0的疊加狀态。
基于一種被稱為「糾纏」的量子效應，一台擁有300個量子比特的量子計算機理論上可以在一瞬間完成比可見宇宙中的原子數目更多的計算次數。
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，目的倒不是為了計算，而是為了造出時間晶體。
近日，IEEE對谷歌研究科學家Kostyantyn Kechedzhi和谷歌進階研究科學家Xiao Mi進行了采訪，他們分别在理論和實驗方面進行了大量研究。
本文一作Xiao Mi于2012年獲得康奈爾大學工程實體學學士學位，于2018年獲得普林斯頓大學實體學博士學位，同年進入谷歌。
研究方向為探讨基于超導量子比特的中等規模量子處理器的近期應用。
時間晶體=永動機？
什麼是時間晶體？
Kostyantyn Kechedzhi：
晶體是一個由許多原子組成的系統，由于互相作用，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，這些粒子自身的運動模式就具有一種周期性，隻不過這種周期性存在于時間次元上而不在空間次元上，并且永久存在。
可以把時間晶體和自然界中的物體相比嗎？
持續周期運動在自然界中非常常見。
兩個巨大星球因引力而互相吸引的雙星系統就是最簡單的例子。這兩個物體按照周期軌道繞着共同的質心運動。
乍一看，這似乎是一個時間晶體的例子。然而，時間晶體的關鍵之處在于它是一個由許多物體互相作用的系統的周期性運動。
相比之下，兩個巨大星體繞軌道運作這種運動模式其實并不是重複的，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迹，但行星的真實運動卻非常混亂，這意味着如果今天一顆行星的運動軌迹與既定軌道「差之毫厘」，幾十億年後兩者就完全是「失之千裡」。
值得一提的是，熱力學第二定律假設由許多互相作用的物體組成的系統總是趨向于更無序的運動狀态，這與時間晶體的嚴格周期性運動相沖突。
盡管如此，一個由許多互相作用的量子物體組成的系統可以表現出周期性運動模式，而不會違反熱力學第二定律，這是由于一種被稱為多體局域化的基本量子現象。
多體局域化可以幫助時間晶體保持穩定？
是的。由許多物體組成的局域量子系統的一個關鍵特性是，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。
從這個意義上說，系統的響應是局部的。相比之下，在一個混沌系統中，一個小擾動就會影響整個系統。
是以，正是這種局域化現象阻止了時間晶體從外部吸收能量。
時間晶體和永動機有多相似？
在實驗中，我們觀察到時間晶體從驅動它行為的脈沖中吸收的能量淨值始終為零。這也許就是為什麼它們經常被比作永動機。
然而，永動機必須要在沒有外部能源的情況下做功，這便違反了熱力學定律。相比之下，沒有能量源，時間晶體的運動不會對外做功，是以不違反實體定律。
時間晶體會随着時間分解嗎？
目前的時間晶體無法做到百分百與環境隔離，而這種與環境的弱耦合就導緻時間晶體的「壽命」是有限的。
換句話說，在足夠長的時間後，現實中的時間晶體的周期性運動模式不會再重複。
時間晶體可能有哪些應用？
時間晶體就像鐵磁體或超導體一樣，是對稱性自發破缺或自發有序的例子。
例如，鐵磁體本質上是一個由微小的磁體組成的系統，這些磁體的磁極都指向一個方向，是以從這個意義上講，它是有序的。
而對稱性在這種狀态下被「自發」地打破了，因為在正常物質中，組成粒子的極點都指向随機的方向，這便是對稱性自發破缺。
對稱性自發破缺一旦進入一個穩态，如鐵磁體或超導體的電阻消失，通常都具有重要的技術價值。
時間晶體為什麼很難研究？
其挑戰在于，量子物質無法與環境做到完全隔離。
為什麼要用量子計算機來創造時間晶體？
Xiao Mi：
量子計算機是實作時間晶體的首選平台，因為它們有精确校準的量子邏輯門。
量子邏輯門和傳統的邏輯門有什麼差別？
量子邏輯門是傳統計算機邏輯門的量子計算版本，其允許以非常高的精度實作時間晶體所需的多體互相作用。
以前關于時間晶體的研究都是在量子模拟器上進行的，而這些平台缺乏量子計算機的精度。是以，這些實驗存在着許多由于非預期的互相作用而導緻的缺陷。
新研究中展示了什麼？
我們設計了理論上可以呈現時間晶體互相作用類型的量子電路，并從中收集了資料。
通過各種技術手段，我們驗證了這些資料與時間晶體的行為是一緻的：
時間晶體秩的衰減或「融化」隻是由外部退相幹引起的，而不是系統的内部動力學。
無論系統的初始狀态如何，時間晶體的特征是存在的。
我們可以确定時間晶體階段的邊界，也就是它「融化」的地方。
這些結果最有趣的是什麼？
了解互相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，是實體學中一個長期存在的問題，而量子系統中仍有許多未解之謎。
我們能夠确定時間晶體和量子混沌态之間的相變點的特征，對于量子處理器作為科學研究工具的早期應用來說，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适度規模的系統已經可以新的提供關于相變性質的實驗資訊。
時間晶體對量子計算機發展的作用？
擁有像時間晶體這樣穩定的抗實驗幹擾的物質，有助于設計長壽的量子态，這是未來改進量子處理器的關鍵任務。
與荷蘭代爾夫特理工大學創造的時間晶體有什麼差別？
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603
代爾夫特實作了我們早期理論工作中概述的一些協定，這些協定将多體局部時間晶體與近年來觀察到的前熱時間晶體區分開來。其中，熱前時間晶體的特點是内在壽命有限，而多體局部時間晶體的特點是内在壽命是無限長的。
我們的處理器能夠證明時間晶體的動力學在一定的系統參數範圍内持續存在。其結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态的物質狀态，包括熱前時間晶體。
最重要的是，我們在新研究中描述的協定是可擴充的，它可以很容易地應用于更大的量子處理器。這是進一步理論分析的結果，大大改進了我們先前的工作，而代爾夫特實驗正是基于此。
研究可能的發展方向？
我們的目标之一是将量子處理器發展成為實體學和化學的科學工具。其中，關鍵的挑戰是減少誤差，進而在未來實作容錯量子計算。
而這需要通過硬體的改進、算法錯誤緩解政策和對噪聲在多體量子動力學中的作用的基本了解來解決。
參考資料：
https://spectrum.ieee.org/qa-creating-time-crystals-using-quantum-computers