盡管如今的量子計(jì)算機(jī)仍處于發(fā)展的早期階段，但它已經(jīng)有能力做一些事情了。比如，創(chuàng)造一種叫做“時(shí)間晶體”（Time crystal）的新物質(zhì)相。

“時(shí)間晶體”這一概念由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek在2012年首次提出。與水晶的結(jié)構(gòu)在空間中重復(fù)類似，時(shí)間晶體在時(shí)間上呈周期性重復(fù)——它不需要任何進(jìn)一步的能量輸入就能夠無限重復(fù)，像“永動(dòng)機(jī)”一樣。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月30日，國際知名期刊《自然》上發(fā)表的一項(xiàng)論文中，一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了他們使用谷歌的“懸鈴木”（Sycamore）量子計(jì)算硬件創(chuàng)建的時(shí)間晶體。

“總的來說，我們正在采用未來會(huì)成為量子計(jì)算機(jī)的設(shè)備，我們將其視為復(fù)雜的量子系統(tǒng)?！闭撐淖髡咧?、斯坦福大學(xué)博士后Matteo Ippoliti表示，“我們不是在計(jì)算，而是將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)實(shí)現(xiàn)和檢測物質(zhì)新相的新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?！?/p>

對于團(tuán)隊(duì)來說，他們?nèi)〉贸删偷呐d奮不僅是創(chuàng)造了一個(gè)新的物質(zhì)相，還在于開辟了探索凝聚態(tài)物理領(lǐng)域新機(jī)制的機(jī)會(huì)。該領(lǐng)域研究系統(tǒng)中許多對象的集體相互作用所帶來的新現(xiàn)象和特性，這種交互比單個(gè)對象的屬性可以豐富得多。

“時(shí)間晶體是物質(zhì)的新型非平衡量子相的一個(gè)明顯例子，”該論文的通訊作者、斯坦福大學(xué)物理學(xué)助理教授Vedika Khemani表示，“雖然我們對凝聚態(tài)物理的大部分理解都基于平衡系統(tǒng)，不過，這些新的量子設(shè)備為我們提供了一個(gè)迷人的窗口，可以了解多體物理學(xué)中的新非平衡狀態(tài)?！?/p>

研究人員制作這種時(shí)間晶體的方式像培養(yǎng)果蠅，并給予其一些刺激。

物理學(xué)中的果蠅是伊辛模型，這是一類描述物質(zhì)相變的隨機(jī)過程（stochastic process）模型，可用于理解各種物理現(xiàn)象（包括相變和磁性）。伊辛模型由一個(gè)晶格組成，其中每個(gè)位置都被一個(gè)粒子占據(jù)，該粒子可以處于兩種狀態(tài)，表示為自旋向上或向下。

Khemani在讀研究生期間、她的博士生導(dǎo)師 Shivaji Sondhi以及馬克斯-普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所的 Achilleas Lazarides 和 Roderich Moessner 無意中發(fā)現(xiàn)了這種制造時(shí)間晶體的方法。

當(dāng)時(shí)，他們正在研究非平衡多體局部化系統(tǒng)，就是粒子“卡在”其開始狀態(tài)且永遠(yuǎn)無法放松到平衡狀態(tài)的系統(tǒng)。

他們嘗試探索這些系統(tǒng)被激光定期擊中時(shí)，其可能發(fā)展的階段。他們找到了穩(wěn)定的非平衡相，還發(fā)現(xiàn)粒子的自旋在時(shí)間上永遠(yuǎn)重復(fù)的模式中翻轉(zhuǎn)，其周期是激光驅(qū)動(dòng)周期的兩倍，從而形成時(shí)間晶體。

激光的周期性沖擊為晶體的動(dòng)態(tài)建立了特定的節(jié)奏。通常，旋轉(zhuǎn)的“舞蹈”應(yīng)該與這種節(jié)奏同步，而時(shí)間晶體則不然。與之相反，自旋在兩種狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)，只有在被激光擊中兩次后才能完成一個(gè)循環(huán)。這意味著系統(tǒng)的“時(shí)間平移對稱性”被打破。

對稱性在物理學(xué)中十分重要。對稱性的打破解釋了規(guī)則晶體、磁鐵和許多其他現(xiàn)象的起源。然而，時(shí)間平移對稱性與其他對稱性不同，它不能在平衡狀態(tài)下被打破。周期性的沖擊是一個(gè)漏洞，讓時(shí)間晶體成為可能。

振蕩周期的倍增并不尋常，但也不是前所未有。長期的振蕩在少粒子系統(tǒng)的量子動(dòng)力學(xué)中也很常見。

時(shí)間晶體的獨(dú)特之處在于，它是一個(gè)由數(shù)百萬粒子組成的系統(tǒng)，但能在沒有任何能量流入或流出的情況下表現(xiàn)出協(xié)調(diào)一致的行為。

此前，許多研究團(tuán)隊(duì)的不少實(shí)驗(yàn)都實(shí)現(xiàn)了各種近乎時(shí)間晶體的成果。不過，提供“多體定位（many-body localization）”（這一現(xiàn)象使時(shí)間晶體無限穩(wěn)定）配方中的所有成分仍然是一個(gè)突出挑戰(zhàn)。

此項(xiàng)研究中，Khemani等人與谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)合作，他們使用谷歌的Sycamore量子計(jì)算硬件，使用量子比特對20次“自旋”進(jìn)行編程。

研究人員通過量子計(jì)算機(jī)的特殊能力證實(shí)了他們所稱的真實(shí)的時(shí)間晶體。不過，由于量子設(shè)備并不完美，其尺寸和相干時(shí)間有限，這意味著他們的實(shí)驗(yàn)在尺寸和持續(xù)時(shí)間上有限——只能觀察到幾百個(gè)周期而不是無限期的時(shí)間晶體振蕩。為了評估產(chǎn)出的穩(wěn)定性，研究人員還設(shè)計(jì)了各種方案，包括在時(shí)間上向前和向后運(yùn)行模擬并縮放其大小。

“我們設(shè)法利用量子計(jì)算機(jī)的多功能性來幫助分析其自身的局限性，”論文作者之一、馬克斯普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所所長Moessner表示，“本質(zhì)上，它告訴我們?nèi)绾渭m正自己的錯(cuò)誤，以便從有限時(shí)間的觀測中確定理想時(shí)間結(jié)晶行為的指紋?！?nbsp;

理想的時(shí)間晶體有一個(gè)關(guān)鍵特征：其在所有狀態(tài)下都表現(xiàn)無限振蕩。驗(yàn)證這種對狀態(tài)選擇的穩(wěn)健性是一項(xiàng)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計(jì)了一種協(xié)議，只需運(yùn)行1次機(jī)器就能探測超過100萬個(gè)時(shí)間晶體的狀態(tài)，而且只用幾毫秒的運(yùn)行時(shí)間。

“我們量子處理器的一個(gè)獨(dú)特之處在于它能夠創(chuàng)造高度復(fù)雜的量子態(tài)，”論文作者之一、谷歌研究員Xiao Mi表示，“這些狀態(tài)能有效驗(yàn)證物質(zhì)的相位結(jié)構(gòu)，而不用調(diào)查整個(gè)計(jì)算空間。這原本是一項(xiàng)棘手的任務(wù)?！?/p>

此項(xiàng)研究的成果也表明，量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算以外越來越有用?！拔液軜酚^，有了更多更好的量子比特，我們的方法可以成為研究非平衡動(dòng)力學(xué)的主要方法?！闭撐淖髡咧弧⒐雀柩芯繂TPedram Roushan表示。