科學(xué)家模擬出創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間晶體：由57個(gè)量子粒子組成

澳大利亞的物理學(xué)家們已經(jīng)對(duì)半個(gè)地球以外的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了編程，以制造或至少模擬出一個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間晶體，即一個(gè)由量子粒子組成的系統(tǒng)，在時(shí)間上鎖定了一個(gè)永久的循環(huán)，有點(diǎn)類似于實(shí)際晶體中原子的重復(fù)空間模式。

新的時(shí)間晶體由57個(gè)量子粒子組成，是去年Google公司科學(xué)家模擬的20個(gè)粒子時(shí)間晶體兩倍多。這項(xiàng)工作顯示了量子計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)的能力，否則這些系統(tǒng)可能只存在于物理學(xué)家的理論中。時(shí)間晶體的概念出現(xiàn)在10年前，當(dāng)時(shí)麻省理工學(xué)院獲得諾貝爾獎(jiǎng)的理論物理學(xué)家弗蘭克-威爾切克對(duì)普通晶體引人注目的原子空間模式進(jìn)行了思考。這個(gè)圖案從何而來(lái)?它不是由原子之間的力的方程式明確規(guī)定的，這似乎允許任何原子以相等的概率出現(xiàn)在任何地方。相反，如果原子充分冷卻，它就會(huì)自發(fā)出現(xiàn)。一旦有幾個(gè)原子相互依偎在一起，那么下一個(gè)原子的位置就變得可預(yù)測(cè)了，而且出現(xiàn)了一種只隱含在力中的模式。

威爾切克想知道，類似的事情是否會(huì)在時(shí)間上發(fā)生。他設(shè)想了一個(gè)量子粒子系統(tǒng)，通過(guò)不隨時(shí)間變化的力量相互作用，以某種方式設(shè)法執(zhí)行一些循環(huán)進(jìn)化，甚至在其能量最小的狀態(tài)下。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這是不可能的。然而，在2016年，兩個(gè)不同的小組通過(guò)考慮一個(gè)被一些外部刺激反復(fù)刺激的系統(tǒng)，恢復(fù)了這個(gè)概念。他們發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它可以鎖定為一種隨時(shí)間變化的模式，以不同于刺激的、較低的頻率重復(fù)進(jìn)行。這種較低頻率的反應(yīng)是時(shí)間晶體的特征。

該系統(tǒng)由一串微小的量子機(jī)械磁鐵組成，這些磁鐵可以向上、向下，或者，由于量子力學(xué)的奇怪規(guī)則，可以同時(shí)指向兩個(gè)方向。在鏈中，相鄰的磁鐵傾向于向相反的方向?qū)R，以降低它們的能量，而隨機(jī)選擇的局部磁場(chǎng)使每個(gè)磁鐵更傾向于指向一個(gè)方向或另一個(gè)方向。穩(wěn)定的磁脈沖流也周期性地將磁鐵從上往下翻轉(zhuǎn)，反之亦然。這個(gè)想法是，在適當(dāng)?shù)臈l件下，任何配置的磁鐵都會(huì)反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，每?jī)蓚€(gè)脈沖一次。實(shí)驗(yàn)者已經(jīng)在從鉆石中的電子到陷阱中的離子到量子計(jì)算機(jī)中的量子比特或量子比特等系統(tǒng)中證明了這個(gè)想法。

現(xiàn)在，墨爾本大學(xué)的理論家Philipp Frey和Stephan Rachel提供了一個(gè)更大的量子比特演示。他們利用美國(guó)IBM公司建造和運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程進(jìn)行了模擬。可以一次性設(shè)置為0、1或1和0的量子比特，可以被編程為像磁鐵一樣進(jìn)行互動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)于它們互動(dòng)的某些設(shè)置，57個(gè)量子比特的任何初始設(shè)置，如01101101110......，都保持穩(wěn)定，每?jī)蓚€(gè)脈沖就回到它的原始狀態(tài)。乍一看，這一觀察結(jié)果似乎有點(diǎn)不盡人意。畢竟，如果磁鐵沒有相互作用，每個(gè)脈沖都會(huì)將它們翻轉(zhuǎn)180°，正好產(chǎn)生這種半頻響應(yīng)。然而，使該系統(tǒng)成為時(shí)間晶體的原因是磁鐵之間的相互作用穩(wěn)定了該模式，這使得該系統(tǒng)不受缺陷的影響，例如脈沖不夠長(zhǎng)，無(wú)法將自旋全部翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。這確實(shí)是一個(gè)由許多體的相互作用所穩(wěn)定的物質(zhì)階段。

奇怪的是，僅僅提高磁體相互作用的強(qiáng)度是不夠的。這些相互作用還必須在一對(duì)鄰居之間隨機(jī)變化。如果所有的磁鐵都以相同的強(qiáng)度相互作用，那么如果一個(gè)磁鐵出錯(cuò)，它可能會(huì)導(dǎo)致鏈上的其他磁鐵也翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。雷切爾說(shuō)，這種隨機(jī)性實(shí)際上使這種錯(cuò)誤不會(huì)擴(kuò)散，并穩(wěn)定了時(shí)間晶體。

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