谷歌刷屏的“时间晶体” 究竟是什么？

• 2021-12-10 10:23:29 来源：半导体行业观察

来源：内容来自半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。

编者按：日前，一篇有关谷歌实现“时间晶体”的文章在笔者的朋友圈刷屏。而IEEE在近日对谷歌团队的负责人进行了专访，与大家分享了这个研究背后的意义，现在我们编译如下，以飨读者。

以下为文章正文：

大约十年前首次构想的时间晶体（time crystal ）是一种新物质，它与永动机有着惊人的相似之处。理论上，它的部件可以在不消耗能量的情况下以重复循环的方式移动，就像一块没有电池就可以永远运行的手表。

多年来，科学家们一直在竞相创造这种新的物质相。现在，Google Quantum A I 的研究人员和他们的同事透露，他们已经使用Google 的 Sycamore量子计算硬件创建了时间晶体，他们在11 月 30 日在线发表的《自然》杂志上详细介绍了这一发现。

经典计算机打开或关闭晶体管以将数据表示为 1 和 0，而量子计算机使用量子位，或量子位，由于量子力学的性质，它们可以以叠加状态存在，那就意味着它们可以同时为 1 和 0 . 通过称为纠缠的量子效应将量子位连接在一起，理论上 300 量子位的量子计算机可以在瞬间执行比可见宇宙中的原子更多的计算。2019 年，谷歌声称它使用 Sycamore 来展示“量子首要性”（ "quantum primacy"），寻找经典计算机无法解决的问题的答案。

在这项新研究中，研究人员使用的 20 量子位系统不是为了计算，而是为了实现时间晶体。为了了解更多信息，我们采访了谷歌研究科学家Kostyantyn Kechedzhi和谷歌高级研究科学家Xiao Mi，他们分别在理论和实验方面进行了大量研究。为了长度和清晰度，对话已被编辑。

EEE Spectrum : 什么是时间晶体？

Kostyantyn Kechedzhi：晶体是由许多原子组成的系统，由于相互的相互作用，它们在空间中组织成周期性模式。时间晶体是由许多粒子组成的量子系统，这些粒子将自身组织成一种周期性的运动模式——在时间上而不是在空间中——并且永久存在。

Spectrum：您可以将时间晶体与自然界中的什么进行比较？

Kechedzhi：持续周期运动在自然界中是非常熟悉的。两个大质量物体由于重力相互吸引的系统是最简单的例子——两个物体围绕共同的质心严格遵循周期性轨道运动。乍一看，这似乎是时间晶体的一个例子。然而，时间晶体的关键新颖之处在于许多物体相互作用的系统的周期性运动。

与仅两个相互绕转的大质量物体相比，由许多相互作用物体组成的系统表现出完全不同的行为——运动不断变化，而不是重复的模式。例如，在太阳系中，行星遵循近似周期性的轨迹，但行星的真实行为是混乱的，这意味着行星今天与其路径的微小偏差将导致随着时间的推移完全重塑轨迹，尽管这需要数十亿年。

热力学第二定律假设由许多相互作用的物体组成的系统趋向于更加无序，这与时间晶体的严格周期性运动相矛盾。尽管如此，由于称为多体局域化的基本量子现象，由许多相互作用的量子物体组成的系统可以在不违反热力学第二定律的情况下展示周期性运动。

Spectrum：所以在您的新工作中，您创建了一个周期性驱动的多体本地化时间晶体。这是一个由许多部分组成的时间晶体，其活动由外部施加的循环脉冲系列驱动。通过定位，你的意思是物理定律在这个时间晶体的特定区域起作用，以帮助它保持稳定并避免耗散能量？

Kechedzhi：是的。许多物体的局域量子系统（ localized quantum system ）的一个关键特性是，足够弱的外部脉冲或施加到任何一个物体上的力都会影响其邻居，但不会在整个系统中感受到。从这个意义上说，系统的响应是局部的。相比之下，在混沌系统中，整个系统都会感觉到轻微的扰动。局部化现象阻止了从外部驱动器吸收能量。

Spectrum：您的时间晶体与永动机的可比性如何？

Kechedzhi：在我们的实验中观察到的时间晶体不会从用于驱动其行为的脉冲中吸收任何净能量。这也许就是为什么它们经常被比作永动机。

然而，永动机预计在没有能源的情况下做功，这将违反热力学定律。相比之下，时间晶体的运动在没有能源的情况下不会产生功，因此不会违反物理定律。

Spectrum：你的时间晶体会随着时间的推移而分解吗？

Kechedzhi：我们的处理器不是 100% 与环境隔离的，这种与环境的弱耦合引入了时间晶体的有限“外在”寿命。换句话说，经过足够长的时间后，顺序会丢失，周期模式不再重复。

Spectrum：时间晶体有哪些应用？

Kechedzhi：时间晶体，就像铁磁性或超导性一样，是自发对称性破缺或自发秩序的一个例子。例如，铁磁体本质上是一个小得多的磁体系统，其磁极都指向一个方向，从这个意义上说是有序的。在这种状态下，对称性被称为“自发地”（spontaneously）破缺，因为在正常物质中，极点都指向随机方向。自发对称性破缺（spontaneous symmetry breaking）的稳定例子，如铁磁性或超导体的电阻消失，通常具有重要的技术价值。

自发的对称破缺与平衡有关。例如，想象一下液态水在达到稳定的低温时会冻结成晶体。我们观察到的时间晶体的一个显著特性是它的自发秩序（spontaneous order ），尽管它被驱动失去平衡。这一观察结果为识别具有新型有序类型的量子物质的其他非平衡状态打开了大门。

Spectrum：时间晶体已被证明难以研究，为什么？

Kechedzhi：挑战在于将量子物质与其环境隔离从来都不是完美的。

Spectrum：为什么要使用量子计算机来帮助创建时间晶体？

Xiao Mi：量子计算机是实现时间晶体的首选平台，因为它们具有精确校准的量子逻辑门。

Spectrum：量子逻辑门是传统计算机用来执行计算的逻辑门的量子计算版本吗？

Xiao Mi：是的。量子逻辑门允许以非常高的精度实现时间晶体存在所必需的多体相互作用。

以前对时间晶体的研究都是在所谓的量子模拟器上进行的。这些平台缺乏量子计算机的精度。结果，后来发现其中许多实验由于意外的相互作用而存在缺陷。

Spectrum：你在新研究中展示了什么？

Xiao Mi：我们设计的量子电路具有理论上预期会导致时间晶体的相互作用类型。然后，我们从这些量子电路中收集数据，并使用各种技术来验证我们的数据是否与时间结晶行为一致。这包括三件事：

1、时间晶体顺序的任何衰变或“熔化”（melting）仅由外部退相干（external decoherence）引起，而不是由我们系统的内部动力学引起。

2、无论系统的初始状态如何，都存在时间晶体的特征。

3、我们可以确定时间结晶相的边界——也就是它“熔化”的地方。

Spectrum：您个人认为这些结果最有趣的是什么？

Xiao Mi：了解相变临界点附近相互作用粒子的行为——例如，冰融化成水的温度——是物理学中一个长期存在的问题，并且对于量子系统仍然存在许多未解决的难题。我们能够表征时间晶体和量子混沌状态之间的相变点。对于量子处理器作为科学研究工具的早期应用来说，这是一个非常有前景的方向，其中数十或数百个量子位的中等规模系统已经可以提供有关相变性质的新实验信息。

Spectrum：时间晶体如何带来更好的量子计算机？

Mi：拥有像时间晶体这样的物体可以稳定抵抗实验干扰，可能有助于设计长寿命的量子态，这是未来改进量子处理器的一项关键任务。

Spectrum：荷兰代尔夫特理工大学的研究人员使用量子位创造了另一种时间晶体。你如何区分你的作品和他们的作品？

Kechedzhi：代尔夫特实验实施了我们早期理论工作中概述的一些协议，这些协议将多体局部（ many-body localized）时间晶体与近年来观察到的所谓的热前（pre-thermal ）时间晶体区分开来。热前时间晶体的特征是有限的本征寿命，而多体局域时间晶体的特征是发散的——即无限长的——本征寿命（intrinsic lifetime）。

我们处理器的卓越灵活性使我们能够证明时间晶体动力学在一系列系统参数中持续存在。其结果之一是我们观察到时间晶体和混沌行为之间的相变。相变的存在表明时间晶体是一种与更普遍的混沌多体状态不同的物质状态，包括热前时间晶体。

至关重要的是，我们在新研究中描述的协议是可扩展的——它可以轻松应用于更大的量子处理器。这是进一步理论分析的结果，显着改进了我们之前的代尔夫特实验所基于的工作。将来，我可以看到我们的实验在越来越大的系统上重复进行。

Spectrum：您认为您的研究可能会朝着哪些具体方向发展？

Kechedzhi：我们的目标之一是将我们的处理器发展成为物理和化学的科学工具。关键挑战是减少设备中的错误。这是量子处理器未来应用和实现容错量子计算的关键。它需要通过硬件改进、算法错误缓解策略以及对噪声在多体量子动力学中的作用的基本理解来解决。

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