谷歌用量子计算机造出「时间晶体」，挑战热力学第二定律

2021-8-6 11:48:44    点击：

来源：新智元

近日，谷歌联合几十位物理学家，用量子计算机造出了「时间晶体」。

你能想象得到，有这样一个物体，竟然跳出了经典的热力学第二定律？

没错，这就是「时间晶体」。

然而，时间晶体自2012年首次被假设以来，「一直」都只是理论上的。

直到最近，谷歌与来自斯坦福大学、普林斯顿大学以及其他大学的物理学家联合发表了一份研究：

「Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor」。

在这篇7月28日发表的论文中，研究人员称真正的「时间晶体」已经可以通过谷歌的量子计算机进行观察了。

这篇具有里程碑意义的论文，作者数量也高达100多人。

「时间晶体」的部分会在一个有规律的、重复的循环中运动，在不燃烧任何能量的情况下维持这种不断变化。

同时，「时间晶体」是第一个自发打破「时间转换对称性」的物体，即一个稳定的物体在整个时间内保持不变的规则。

时间晶体从何而来？

时间晶体的假设最早可以追溯到2012年。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek提出：时间晶体经历周期性运动，每隔一段时间就会回到最初的形态。同时，时间晶体不需要输入，但能一直保持周期性运动，因为这个系统处于超稳定的平衡状态。

不过遗憾的是，在2014年，加州大学伯克利分校和东京大学的研究人员证明了这个想法是无法被实现的。

之后，在2015年的一篇论文中，普林斯顿大学和马克思·普朗克研究所的研究人员提出了一种新的物相结构（pi spin-glass phase），即第一个多体非平衡相。

该研究基于一种周期性驱动的Floquet系统。比如用特定频率的激光刺激晶体，其中激光的强度以及它对系统的影响强度会发生周期性的变化。他们在计算和模拟中发现，当用激光以一种特定的方式刺激一个局域化自旋链时，它们会来回翻转，在两个不同的多体局域化状态之间循环往复，而不会从激光中吸收任何净能量。紧接着，在2016年，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和微软的研究人员根据pi spin-glass phase提出了Floquet「时间晶体」的存在。

「时间晶体」在有外部能量源周期性驱动的情况下，可以表现出Wilczek所设想的行为。Floquet「时间晶体」并不是处于一个热平衡状态的系统，而是一个多体的局部系统，它的自旋或其他部分无法进入平衡状态。不过，尽管有激光或其他驱动，该系统也不会升温，而它在局部状态之间会无限地来回循环。什么是时间晶体？

为了便于理解，我们用冰块来举个例子。

当冰块被放在水杯里时，两个独立的实体（冰块和液态水）就会以两个不同的温度相互接触。众所周知，水会开始变凉，冰会则会热，而随着时间的推移，最终，得到的就只有一杯室温的水。这个过程被称为「热平衡」。所有其他已知的相，如刚才说的水或冰，都处于热平衡状态。组成它们的原子会进入环境温度所允许的最低能量状态，而且它们的特性不会随时间而改变。「时间晶体」则是第一个「非平衡」相，即使处于激发态和演化态，它仍然有秩序和完美的稳定性。根据经典物理学，宇宙总是在向熵增的方向发展。熵增原理也可以简要地表述为，孤立系统的熵永不减小。根据熵增原理，不可逆绝热过程总是向着熵增加的方向进行的，而可逆绝热过程则总是沿着等熵线进行的。而理论上，「时间晶体」的熵可以始终保持不变。

那是什么意思？晶体结构在物理世界中的形成是因为，不管出于什么基本的科学原因，其中的原子「想要 」存在于某些确切的点。「时间晶体」则是物质的一个新阶段，就像有一片雪花在两种不同的构型之间不断来回循环，这一刻是七角晶格，下一刻是十角晶格。神奇之处在于，当「时间晶体」在两种不同构型之间来回循环时，它们不会损失或使用任何能量。用蛋糕举个例子，「时间晶体」可以具有一个蛋糕，也可以吃完这个蛋糕；同时，「时间晶体」可以从吃完蛋糕的状态，循环到仍有蛋糕的状态。理论上，「时间晶体」可以永远这样做。最重要的是，「时间晶体」可以在一个孤立的系统中做到这一点。这意味着他们可以吃下蛋糕，然后神奇地让它永远重复出现，而不需要使用任何燃料或能量。

有什么意义？时间晶体可能是量子计算需要的奇迹。量子计算机被认为是可以用来解决真正困难的问题。然而不幸的是，建造它们很难，维护它们很难，让它们做任何事情都很难，甚至更难解释它们给出的结果。这是因为有一种叫做「退相干」的东西，它的作用很像熵。量子计算机由「量子比特」组成，而量子比特具有量子力学的一个有趣的特征：它们在被观察时的行为与它们在不被观察时不同。这也就使得对量子比特状态的任何直接测量（读取计算机的输出）变得困难。但「时间晶体」是连续的。因此，把「时间晶体」放在量子计算机内，用它们来进行计算机处理，有可能起到一个令人难以置信的重要作用：确保量子一致性。

量子计算的问题解决了？还没有，这只是一个小的进步。谷歌所做的，是证明人类存在制造时间晶体的可能。那么，为什么这如此令人兴奋呢？如果谷歌真的创造出了时间晶体，它可能会加速量子计算突破的时间表，从「也许永远不会」到「也许几十年内」。