2021 年，谷歌宣布首次使用自研量子計算機創(chuàng)造出時間晶體（Time Crystals），該時間晶體通過局部可觀測性推翻了時間平移對稱性理論，并保留對不確定初始狀態(tài)的記憶。 

近日，來自澳大利亞墨爾本大學(xué)的物理學(xué)家菲利普·弗雷（Philipp Frey）與斯蒂芬·雷切爾（Stephan Rachel）再次將時間晶體搬上世界舞臺。 

據(jù)悉，他們運行基于 IBM 研發(fā)的量子計算機，編程出一個包含 57 個量子比特的時間晶體。時間晶體是“一個可以時間上鎖定一個永久循環(huán)的量子粒子系統(tǒng)”，類似于實際晶體中原子的空間重復(fù)分布模式。 

相關(guān)論文以《離散時間晶體在 57 量子比特量子計算機上的實現(xiàn)》（Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer）為題發(fā)表在了 Science Advances 上。

 圖 | 相關(guān)論文（來源：Science Advances）

該時間晶體超越了谷歌此前的成果，成為目前最大的時間晶體。雷切爾表示，“整個項目是由我、菲利普，還有一臺筆記本電腦來完成的，大概花了 6 個月的時間?！?/span>

該研究成果展現(xiàn)了量子計算機的特有實力，即能夠模擬出原本僅會存在于理論世界中的復(fù)雜系統(tǒng)。微軟工程師、凝聚態(tài)物理學(xué)家切坦·納亞克（Chetan Nayak）評價道，“這項研究所需的運算量太大了，沒有一個傳統(tǒng)計算機可以完成，所以這絕對是一個重要的進步。” 

值得一提的是，研究人員重點探索了該時間晶體的隨機初始狀態(tài)，還通過對比消失和有限無序兩種情形深入認識了多體局部化和預(yù)熱化動力學(xué)的不同。

圖 | 時間晶體和熱動力學(xué)的特征（來源：Science Advances）

據(jù)了解，時間晶體一詞最早是由美國麻省理工學(xué)院教授、理論物理學(xué)家弗蘭克·威爾切克（Frank Wilczek）于 2012 年提出的。 

當(dāng)時，他正在思考普通晶體的原子空間格局是從何而來。

威爾切克提到，由于原子間力的方程并無特定限制，所有原子都有相同的概率出現(xiàn)在任何地方，且原子足夠冷卻時就會自發(fā)地出現(xiàn)。 

不過，只要有幾個原子開始彼此貼近，就可以預(yù)測出下一個原子的位置，這時暗藏在原子相互作用中的空間布局就會顯露出來。那么，類似情況是否也適用于時間尺度？ 

于是，威爾切克提出這樣一個設(shè)想：在能量最少的狀態(tài)下，是否存在一個可基于不隨時間變化的相互作用力仍能執(zhí)行循環(huán)的量子粒子系統(tǒng)。

當(dāng)時的實驗結(jié)果證明，這是不成立的。此后，在 2016 年，有兩個科研小組使用可被外部因素反復(fù)刺激的系統(tǒng)對該設(shè)想進行了重新驗證。他們發(fā)現(xiàn)，在特定的條件下這種系統(tǒng)能進入到一種隨時間變化的模式，并以比刺激物更低的頻率重復(fù)出現(xiàn)。而時間晶體的一個顯著特點之一就是低頻率響應(yīng)。 

據(jù)悉，該系統(tǒng)由許多細小的量子力學(xué)磁體構(gòu)成。這些磁體遵循量子力學(xué)的規(guī)定，能夠一起指向上、下等兩個相反的方向。 

在該系統(tǒng)中，相鄰磁體的方向一般是相反的，而隨機選擇的局部磁場會使每個磁體趨于一個方向。此外，研究人員介紹道，“穩(wěn)定的磁脈沖會周期性作用于磁體，使其翻轉(zhuǎn)，反之亦然?！?nbsp;

也就是說，在特定條件下，所有磁體都會進行多次翻轉(zhuǎn)，每受到 2 次脈沖就會翻轉(zhuǎn) 1 次。而且，研究人員在各種不同的系統(tǒng)都證實了這個設(shè)想。 

此次墨爾本大學(xué)物理學(xué)家所帶來的時間晶體，含有更多的量子比特，且能夠?qū)⒈忍貭顟B(tài)配置為“0 和 1”或“1 和 0”，帶來類似于磁體間的相互作用。 

研究人員稱，“對于相互作用的某些特定條件，57 個量子比特的初始設(shè)置都保持穩(wěn)定，且每兩次脈沖后它們就會恢復(fù)到原來的狀態(tài)。”

圖 | 包含 57 個量子比特的時間晶體布局（來源：Science Advances）

但是，據(jù)了解，即使磁體間不存在相互作用，脈沖也能使其發(fā)生 180°的周期性翻轉(zhuǎn)。 

哈佛大學(xué)的凝聚態(tài)理論學(xué)家多米尼克·埃爾斯（Dominic Else）解釋說，該時間晶體能夠誕生的原因，是由于磁體的相互作用使量子粒子系統(tǒng)不受脈沖長度等微小缺陷的影響，使其結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。 

他表示，“這其實是一個物質(zhì)的階段，是多體間的相互作用讓它穩(wěn)定下來?！?nbsp;

除磁體間的相互作用強度外，要想讓時間晶體穩(wěn)定下來，還需要一種隨機性來防止錯誤。 

雷切爾稱，“相互作用必須在一組相鄰磁體間發(fā)生隨機的變化。如果所有磁體間的相互作用強度是相同的，那么一個磁體若出了問題，就可能導(dǎo)致其他磁體都以錯誤的方式翻轉(zhuǎn)?！?nbsp;

此外，他還指出，理論上這種翻轉(zhuǎn)模式能夠一直延續(xù)下去，不過，其使用的 IBM 量子計算機讓該時間晶體結(jié)構(gòu)保持的周期循環(huán)數(shù)只在 50 個左右。 

未來，該時間晶體或因其穩(wěn)定相互作用而被用在量子計算機存儲方面，將量子比特的狀態(tài)保留下來。不過，要實現(xiàn)這一點還需花費一定時間。 

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