墨尔本大学物理学家制造出目前最大时间晶体，或可用于量子计算机存储

2021 年，谷歌宣布首次使用自研量子计算机创造出时间晶体（Time Crystals），该时间晶体通过局部可观测性推翻了时间平移对称性理论，并保留对不确定初始状态的记忆。 

近日，来自澳大利亚墨尔本大学的物理学家菲利普·弗雷（Philipp Frey）与斯蒂芬·雷切尔（Stephan Rachel）再次将时间晶体搬上世界舞台。 

据悉，他们运行基于 IBM 研发的量子计算机，编程出一个包含 57 个量子比特的时间晶体。时间晶体是“一个可以时间上锁定一个永久循环的量子粒子系统”，类似于实际晶体中原子的空间重复分布模式。 

相关论文以《离散时间晶体在 57 量子比特量子计算机上的实现》（Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer）为题发表在了 Science Advances 上。

 图 | 相关论文（来源：Science Advances）

该时间晶体超越了谷歌此前的成果，成为目前最大的时间晶体。雷切尔表示，“整个项目是由我、菲利普，还有一台笔记本电脑来完成的，大概花了 6 个月的时间。”

该研究成果展现了量子计算机的特有实力，即能够模拟出原本仅会存在于理论世界中的复杂系统。微软工程师、凝聚态物理学家切坦·纳亚克（Chetan Nayak）评价道，“这项研究所需的运算量太大了，没有一个传统计算机可以完成，所以这绝对是一个重要的进步。” 

值得一提的是，研究人员重点探索了该时间晶体的随机初始状态，还通过对比消失和有限无序两种情形深入认识了多体局部化和预热化动力学的不同。

图 | 时间晶体和热动力学的特征（来源：Science Advances）

据了解，时间晶体一词最早是由美国麻省理工学院教授、理论物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）于 2012 年提出的。 

当时，他正在思考普通晶体的原子空间格局是从何而来。

威尔切克提到，由于原子间力的方程并无特定限制，所有原子都有相同的概率出现在任何地方，且原子足够冷却时就会自发地出现。 

不过，只要有几个原子开始彼此贴近，就可以预测出下一个原子的位置，这时暗藏在原子相互作用中的空间布局就会显露出来。那么，类似情况是否也适用于时间尺度？ 

于是，威尔切克提出这样一个设想：在能量最少的状态下，是否存在一个可基于不随时间变化的相互作用力仍能执行循环的量子粒子系统。

当时的实验结果证明，这是不成立的。此后，在 2016 年，有两个科研小组使用可被外部因素反复刺激的系统对该设想进行了重新验证。他们发现，在特定的条件下这种系统能进入到一种随时间变化的模式，并以比刺激物更低的频率重复出现。而时间晶体的一个显著特点之一就是低频率响应。 

据悉，该系统由许多细小的量子力学磁体构成。这些磁体遵循量子力学的规定，能够一起指向上、下等两个相反的方向。 

在该系统中，相邻磁体的方向一般是相反的，而随机选择的局部磁场会使每个磁体趋于一个方向。此外，研究人员介绍道，“稳定的磁脉冲会周期性作用于磁体，使其翻转，反之亦然。” 

也就是说，在特定条件下，所有磁体都会进行多次翻转，每受到 2 次脉冲就会翻转 1 次。而且，研究人员在各种不同的系统都证实了这个设想。 

此次墨尔本大学物理学家所带来的时间晶体，含有更多的量子比特，且能够将比特状态配置为“0 和 1”或“1 和 0”，带来类似于磁体间的相互作用。 

研究人员称，“对于相互作用的某些特定条件，57 个量子比特的初始设置都保持稳定，且每两次脉冲后它们就会恢复到原来的状态。”

图 | 包含 57 个量子比特的时间晶体布局（来源：Science Advances）

但是，据了解，即使磁体间不存在相互作用，脉冲也能使其发生 180°的周期性翻转。 

哈佛大学的凝聚态理论学家多米尼克·埃尔斯（Dominic Else）解释说，该时间晶体能够诞生的原因，是由于磁体的相互作用使量子粒子系统不受脉冲长度等微小缺陷的影响，使其结构变得稳定。 

他表示，“这其实是一个物质的阶段，是多体间的相互作用让它稳定下来。” 

除磁体间的相互作用强度外，要想让时间晶体稳定下来，还需要一种随机性来防止错误。 

雷切尔称，“相互作用必须在一组相邻磁体间发生随机的变化。如果所有磁体间的相互作用强度是相同的，那么一个磁体若出了问题，就可能导致其他磁体都以错误的方式翻转。” 

此外，他还指出，理论上这种翻转模式能够一直延续下去，不过，其使用的 IBM 量子计算机让该时间晶体结构保持的周期循环数只在 50 个左右。 

未来，该时间晶体或因其稳定相互作用而被用在量子计算机存储方面，将量子比特的状态保留下来。不过，要实现这一点还需花费一定时间。 

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