谷歌时间晶体登上Nature,诺奖得主重大猜想成为现实

机器之心·2021-12-01 18:55
有了时间晶体,我们就拥有了永动机?

没有能量的供给,没有能量的消耗,它的循环运动会永远持续下去。

时间晶体就像是一个「永动机」在不同状态之间永久循环往复而不消耗任何能量。来自斯坦福大学、谷歌、马克思 · 普朗克复杂系统物理研究所和牛津大学的研究团队声称已经在量子计算机中构建了这种全新的物相。这可能是近几十年来最为重大的一次物理发现。

11 月 30 日,顶尖学术期刊《自然》杂志提前发表时间晶体重要研究《Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》,展示了谷歌 Quantum AI 团队通过量子计算机获得的发现:

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w

多年来,科学家们对时间晶体存在的可能性进行了理论分析,并一直试图观察到时间晶体。通过谷歌的量子处理器 Sycamore,我们现在终于知道这是可能的。

「我们使用未来量子计算机的原形,将之视为复杂量子系统,」斯坦福大学博士后,论文共同作者 Matteo Ippoliti 说道。「我们不是在计算,而是将计算机作为一个新的实验平台来实现和检测物质的新阶段。」

对于研究团队来说,新研究的成功不仅仅是意味着创造新的物相,还在于开辟了探索凝聚态物理领域新机制的机会,在这一层面上,粒子的相互作用可能带来新现象和特性。大量粒子的交互可能比单个对象的属性丰富得多。

「时间晶体是物质的新型非平衡量子相的一个突出例子,」斯坦福大学物理助理教授,论文作者之一 Vedika Khemani 表示。「我们对凝聚态物理的大部分理解都基于平衡系统,而这些新的量子设备为我们提供了一个全新窗口,可以让我们了解物理学中的全新非平衡状态。」

有了时间晶体,我们就拥有了永动机?

凝聚态物理学对于大多数人来说可能有点过于高深,在做出判断之前我们要先理解时间晶体到底是什么。

这一概念是由诺贝尔物理学奖得主,MIT 教授 Frank Wilczek 于 2012 年在一堂普通的(空间)晶体课上提出的。

2004 年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院教授 Frank Wilczek。

平衡状态的液体或气体是由均匀分布的粒子构成的,呈现出完美的空间对称性——它们看起来每个地方,每个方向上都一样。在能量极低位置时,大多数物质不能保持对称性,而会结晶。晶体的规则几何形状缺少完整的空间对称性:结构不会处处相同。因为晶体在能量非常低的时候对称性减少了。此时,物理学家会说,这些晶体出现自发对称性破坏。

时间晶体能自发打破被 Wilczek 称为「对称性之母」的时间平移对称性,它可以随着时间改变,但是会持续回到开始时的相同形态,如同钟表的指针周期性地回到原始位置。

与钟表或者其他周期性的过程不同的是,时间水晶和空间水晶一样是最低限度能量的一种状态。这似乎是一个矛盾——时间水晶根据定义为破坏时间平移对称性,必须随着时间改变。但是拥有最低能量的体系通常不能运动。如果它可以动,那么就有额外能量输出,直到这个体系达到真正的最低能量即静止状态。

研究人员制作这种物质的方式就像培养果蝇,并给与其正确的刺激。

物理学中的果蝇是 Ising 模型,这是一种用于理解各种物理现象(包括相变和磁性)的长期工具,它由一个晶格组成,其中每个位置都被一个粒子占据,该粒子可以处于两种状态,表示为自旋向上或下降。

在博士研究生期间,Khemani 和她当时还在普林斯顿大学的博士生导师 Shivaji Sondhi,以及马克斯 · 普朗克复杂系统物理研究所的 Achilleas Lazarides 和 Roderich Moessner 无意中发现了这种制造时间晶体的方法。当时他们正在研究非平衡多体局域系统——粒子在它们开始的状态下会「卡住」并且永远不能转换至平衡状态的系统。

他们试图探索物相在被激光定期击中时可能会发展的情况。出乎预料的是,他们不仅设法找到了稳定的非平衡相,而且还发现粒子的自旋在永远重复的模式之间翻转,其周期是激光驱动周期的两倍,从而形成了时间晶体。

激光的周期性冲击为晶体的动态建立了特定节奏。通常,旋转的「舞蹈」应该与这种节奏同步,但在时间晶体中则不然。与之相反的是,自旋在两种状态之间翻转,只有在被激光击中两次后才能完成一个循环。这意味着系统的「时间平移对称性」被打破。

对称性在物理学中扮演着重要的角色,它经常被打破——这是解释规则晶体、磁铁和许多其他现象的基础。然而时间平移对称性与其他对称性不同,它不能在平衡状态下被打破。周期性的冲击是一个漏洞,让时间晶体成为可能。

振荡周期的倍增是不寻常的,但也并非前所未有。长期的振荡在量子动力学的少粒子系统中也很常见。时间晶体的独特之处在于,它是一个由数以百万计的粒子组成的系统,却在没有任何能量进入或泄漏的情况下,具有同样的表现。

「这是物质的一个完全稳定的阶段,你不能微调参数或状态,但你的系统仍然是量子的,」Sondhi 说,他是牛津大学的物理学教授,也是这篇论文的合著者。「没有能量的供给,没有能量的消耗,它会永远持续下去,包括许多强烈相互作用的粒子。」

虽然这听起来可能有点像「永动机」,但仔细观察就会发现,时间晶体并没有打破任何物理定律。熵——系统无序程度的一种度量——会随着时间的推移保持稳定,它不会减少并边际上满足热力学第二定律。

在时间晶体计划的开发和量子计算机实验的实现之间,许多不同团队的研究人员实现了各种近似于时间晶体的里程碑的成果。然而,提供「多体定位」(使时间晶体具有无限稳定性的现象) 配方中的所有成分仍然是一个突出的挑战。

对于 Khemani 和合作者来说,在时间水晶研究上取得成功的最后一步是与谷歌量子人工智能团队合作。这个小组共同使用谷歌的 Sycamore 量子计算硬件,利用经典计算机的量子比特编程 20 个「自旋」。

11 月,《Science》刊登了另一篇关于时间晶体的文章,揭示了目前人们对时间晶体的强烈兴趣。这种晶体是荷兰代尔夫特理工大学的研究人员利用钻石内部的量子比特制造出来的。

量子的机遇

由于量子计算机的特殊功能,研究人员得以证实所声称的真正的时间晶体。虽然当前量子装置的有限尺寸和相干时间意味着他们的实验在尺寸和持续时间上是有限的(时间晶体振荡只能观察几百个周期而不是无限期),研究人员设计了各种方案来评估产出的稳定性,其中包括向前和向后的运行模拟并缩放大小。

装有谷歌 Sycamore 芯片的冷却系统内部。

「我们设法利用量子计算机的多功能性来帮助我们分析它自身的局限性,」论文的合著者之一、马普所复杂系统物理研究所主任 Moessner 说。「它实质上告诉了我们如何纠正自身的错误,以便从有限时间的观测中确定理想时间结晶表现的机制。」

理想的时间晶体的一个关键特征是,它在所有状态下都会表现出无限的振荡。验证这种对于状态选择的稳健性是实验的关键挑战,研究人员设计了一个协议,在机器的一次运行中探测超过 100 万个状态的时间晶体,只需要几毫秒的运行时间。这就像从多个角度观察一个物理晶体以验证它的重复结构。

「我们量子处理器的一个独特之处在于它能够创造出高度复杂的量子态,」谷歌研究员、论文的第一作者之一 Xiao Mi 说。「这些状态能让物质的相位结构被有效地验证,而无需调查整个计算空间,这原本是一个难以处理的任务。」

在基础水平上创造物质的新阶段无疑是令人兴奋的。此外,事实表明量子计算机在计算之外的应用方面越来越可用。「有了更多的量子比特,我们的方法可以成为研究非平衡态动力学的主要方法,」谷歌研究员、论文作者之一 Pedram Roushan 说。

「我们认为目前量子计算机最令人兴奋的用途是作为基础量子物理学的平台,」Ipppoliti 说。「凭借这些系统的独特性能,有希望发现一些你没有预料到的新现象。」

研究者介绍

Xiao Mi、Matteo Ippoliti 二人均对这项研究做出了重要贡献。Xiao Mi 在康奈尔大学获得学士学位,在普林斯顿大学获得博士学位。他在《Nature》、《Science》主刊和子刊以及其他顶尖期刊上发表过多篇量子相关的研究。

2018 年 7 月,Xiao Mi 加入谷歌任研究科学家,主要探索基于超导量子比特的中型量子处理器的应用。

Matteo Ippoliti 现为斯坦福大学物理系和 Geballe 先进材料实验室的博士后学者。他在意大利比萨大学获得学士和硕士学位,后在普林斯顿大学获得物理学博士学位。从 2015 年开始,Matteo Ippoliti 一直从事量子物理学的研究。

参考内容:

https://news.stanford.edu/2021/11/30/time-crystal-quantum-computer/

https://blog.google/inside-google/googlers/ask-techspert-what-exactly-time-crystal/

本文来自微信公众号“机器之心”(ID:almosthuman2014),编辑:泽南、蛋酱,36氪经授权发布。

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