谷歌用量子計(jì)算機(jī)造出「時(shí)間晶體」，挑戰(zhàn)熱力學(xué)第二定律

2021-8-6 11:48:44????點(diǎn)擊：

來(lái)源：新智元

近日，谷歌聯(lián)合幾十位物理學(xué)家，用量子計(jì)算機(jī)造出了「時(shí)間晶體」。

你能想象得到，有這樣一個(gè)物體，竟然跳出了經(jīng)典的熱力學(xué)第二定律？

沒(méi)錯(cuò)，這就是「時(shí)間晶體」。

然而，時(shí)間晶體自2012年首次被假設(shè)以來(lái)，「一直」都只是理論上的。

直到最近，谷歌與來(lái)自斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)以及其他大學(xué)的物理學(xué)家聯(lián)合發(fā)表了一份研究：

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

在這篇7月28日發(fā)表的論文中，研究人員稱真正的「時(shí)間晶體」已經(jīng)可以通過(guò)谷歌的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察了。

這篇具有里程碑意義的論文，作者數(shù)量也高達(dá)100多人。

「時(shí)間晶體」的部分會(huì)在一個(gè)有規(guī)律的、重復(fù)的循環(huán)中運(yùn)動(dòng)，在不燃燒任何能量的情況下維持這種不斷變化。

同時(shí)，「時(shí)間晶體」是第一個(gè)自發(fā)打破「時(shí)間轉(zhuǎn)換對(duì)稱性」的物體，即一個(gè)穩(wěn)定的物體在整個(gè)時(shí)間內(nèi)保持不變的規(guī)則。

時(shí)間晶體從何而來(lái)？

時(shí)間晶體的假設(shè)最早可以追溯到2012年。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek提出：時(shí)間晶體經(jīng)歷周期性運(yùn)動(dòng)，每隔一段時(shí)間就會(huì)回到最初的形態(tài)。同時(shí)，時(shí)間晶體不需要輸入，但能一直保持周期性運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)處于超穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

不過(guò)遺憾的是，在2014年，加州大學(xué)伯克利分校和東京大學(xué)的研究人員證明了這個(gè)想法是無(wú)法被實(shí)現(xiàn)的。

之后，在2015年的一篇論文中，普林斯頓大學(xué)和馬克思·普朗克研究所的研究人員提出了一種新的物相結(jié)構(gòu)（pi spin-glass phase），即第一個(gè)多體非平衡相。

該研究基于一種周期性驅(qū)動(dòng)的Floquet系統(tǒng)。比如用特定頻率的激光刺激晶體，其中激光的強(qiáng)度以及它對(duì)系統(tǒng)的影響強(qiáng)度會(huì)發(fā)生周期性的變化。他們?cè)谟?jì)算和模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用激光以一種特定的方式刺激一個(gè)局域化自旋鏈時(shí)，它們會(huì)來(lái)回翻轉(zhuǎn)，在兩個(gè)不同的多體局域化狀態(tài)之間循環(huán)往復(fù)，而不會(huì)從激光中吸收任何凈能量。緊接著，在2016年，加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校和微軟的研究人員根據(jù)pi spin-glass phase提出了Floquet「時(shí)間晶體」的存在。

「時(shí)間晶體」在有外部能量源周期性驅(qū)動(dòng)的情況下，可以表現(xiàn)出Wilczek所設(shè)想的行為。Floquet「時(shí)間晶體」并不是處于一個(gè)熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，而是一個(gè)多體的局部系統(tǒng)，它的自旋或其他部分無(wú)法進(jìn)入平衡狀態(tài)。不過(guò)，盡管有激光或其他驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)也不會(huì)升溫，而它在局部狀態(tài)之間會(huì)無(wú)限地來(lái)回循環(huán)。什么是時(shí)間晶體？

為了便于理解，我們用冰塊來(lái)舉個(gè)例子。

當(dāng)冰塊被放在水杯里時(shí)，兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體（冰塊和液態(tài)水）就會(huì)以兩個(gè)不同的溫度相互接觸。眾所周知，水會(huì)開(kāi)始變涼，冰會(huì)則會(huì)熱，而隨著時(shí)間的推移，最終，得到的就只有一杯室溫的水。這個(gè)過(guò)程被稱為「熱平衡」。所有其他已知的相，如剛才說(shuō)的水或冰，都處于熱平衡狀態(tài)。組成它們的原子會(huì)進(jìn)入環(huán)境溫度所允許的最低能量狀態(tài)，而且它們的特性不會(huì)隨時(shí)間而改變。「時(shí)間晶體」則是第一個(gè)「非平衡」相，即使處于激發(fā)態(tài)和演化態(tài)，它仍然有秩序和完美的穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，宇宙總是在向熵增的方向發(fā)展。熵增原理也可以簡(jiǎn)要地表述為，孤立系統(tǒng)的熵永不減小。根據(jù)熵增原理，不可逆絕熱過(guò)程總是向著熵增加的方向進(jìn)行的，而可逆絕熱過(guò)程則總是沿著等熵線進(jìn)行的。而理論上，「時(shí)間晶體」的熵可以始終保持不變。

那是什么意思？晶體結(jié)構(gòu)在物理世界中的形成是因?yàn)椋还艹鲇谑裁椿镜目茖W(xué)原因，其中的原子「想要 」存在于某些確切的點(diǎn)。「時(shí)間晶體」則是物質(zhì)的一個(gè)新階段，就像有一片雪花在兩種不同的構(gòu)型之間不斷來(lái)回循環(huán)，這一刻是七角晶格，下一刻是十角晶格。神奇之處在于，當(dāng)「時(shí)間晶體」在兩種不同構(gòu)型之間來(lái)回循環(huán)時(shí)，它們不會(huì)損失或使用任何能量。用蛋糕舉個(gè)例子，「時(shí)間晶體」可以具有一個(gè)蛋糕，也可以吃完這個(gè)蛋糕；同時(shí)，「時(shí)間晶體」可以從吃完蛋糕的狀態(tài)，循環(huán)到仍有蛋糕的狀態(tài)。理論上，「時(shí)間晶體」可以永遠(yuǎn)這樣做。最重要的是，「時(shí)間晶體」可以在一個(gè)孤立的系統(tǒng)中做到這一點(diǎn)。這意味著他們可以吃下蛋糕，然后神奇地讓它永遠(yuǎn)重復(fù)出現(xiàn)，而不需要使用任何燃料或能量。

有什么意義？時(shí)間晶體可能是量子計(jì)算需要的奇跡。量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是可以用來(lái)解決真正困難的問(wèn)題。然而不幸的是，建造它們很難，維護(hù)它們很難，讓它們做任何事情都很難，甚至更難解釋它們給出的結(jié)果。這是因?yàn)橛幸环N叫做「退相干」的東西，它的作用很像熵。量子計(jì)算機(jī)由「量子比特」組成，而量子比特具有量子力學(xué)的一個(gè)有趣的特征：它們?cè)诒挥^察時(shí)的行為與它們?cè)诓槐挥^察時(shí)不同。這也就使得對(duì)量子比特狀態(tài)的任何直接測(cè)量（讀取計(jì)算機(jī)的輸出）變得困難。但「時(shí)間晶體」是連續(xù)的。因此，把「時(shí)間晶體」放在量子計(jì)算機(jī)內(nèi)，用它們來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，有可能起到一個(gè)令人難以置信的重要作用：確保量子一致性。

量子計(jì)算的問(wèn)題解決了？還沒(méi)有，這只是一個(gè)小的進(jìn)步。谷歌所做的，是證明人類存在制造時(shí)間晶體的可能。那么，為什么這如此令人興奮呢？如果谷歌真的創(chuàng)造出了時(shí)間晶體，它可能會(huì)加速量子計(jì)算突破的時(shí)間表，從「也許永遠(yuǎn)不會(huì)」到「也許幾十年內(nèi)」。