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物理学家用量子计算机制造时间晶体

硬件 时间:2021-12-01 22:00:04 匿名用户

有一个巨大的全球工程的计算机能够利用量子物理的力量进行前所未有的复杂计算。尽管制造这样一台量子计算机的道路上仍然存在着巨大的技术障碍,但今天的早期原型仍然能够实现非凡的成就。

例如,物质的一个新阶段被称为“时间晶体”的创造。正如晶体的结构在空间中重复一样,时间晶体也在时间中重复,更重要的是,时间晶体的重复是无限的,没有任何进一步的能量输入,就像没有任何电池的时钟一样永远运行。实现物质这一阶段的探索在理论和实验上都是一个长期的挑战,现在终于取得了成果。

在11月30日发表在《自然》杂志上的一项研究中,来自斯坦福大学、谷歌量子AI、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所和牛津大学的科学家团队详细介绍了他们使用谷歌的桑树量子计算硬件创建时间晶体的过程。

斯坦福大学博士后学者、这项工作的共同主要作者Matteo Ippoliti说:“重要的是,我们正在将未来的量子计算机设备视为复杂的量子系统。”。“我们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,而不是计算。”

对于该团队来说,他们的成就所带来的兴奋不仅在于创造了物质的新阶段,还在于为探索凝聚态物理领域的新机制开辟了机会。凝聚态物理研究系统中许多物体的集体相互作用所带来的新现象和性质。(此类交互可能比单个对象的属性丰富得多。)

斯坦福大学物理学助理教授、论文资深作者维迪卡·赫曼尼(Vedika Khemani)说:“时间晶体是一种新型非平衡量子相物质的显著例子。”。“虽然我们对凝聚态物理的大部分理解都是基于平衡系统,但这些新的量子器件为我们提供了一个进入多体物理中新的非平衡状态的迷人窗口。”

时间水晶是什么,不是什么

制作这种时间晶体的基本成分如下:物理上相当于一只果蝇,还有一些东西可以让它兴奋起来。物理学的“果蝇”是伊辛模型,它是理解各种物理现象(包括相变和磁性)的长期工具。伊辛模型由晶格组成,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,表示为自旋向上或向下。

在研究生期间,赫曼尼、当时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无意中发现了制作时间晶体的配方。他们正在研究非平衡多体定域系统,在这个系统中,粒子被“卡住”在它们开始的状态,并且永远不能放松到平衡状态。他们感兴趣的是探索当这些系统周期性地被激光“踢”时,它们可能发展的阶段。他们不仅成功地找到了稳定的非平衡相,还发现了粒子的自旋在时间上永远重复的模式之间翻转,周期是激光驱动周期的两倍,从而形成了时间晶体。

激光的周期性跳动为动力学建立了特定的节奏。通常情况下,旋转的“舞蹈”应该与这种节奏同步,但在时间水晶中则不然。相反,自旋在两种状态之间翻转,只有在被激光踢两次后才能完成一个周期。这意味着系统的“时间平移对称性”被打破。对称性在物理学中起着基础性的作用,它们经常被打破,用来解释规则晶体、磁铁和许多其他现象的起源;然而,时间平移对称之所以突出,是因为与其他对称不同,它在平衡状态下是不能被打破的。周期性踢腿是一个漏洞,使时间晶体成为可能。

振荡周期加倍是不寻常的,但并非史无前例。长寿命振荡在少粒子系统的量子动力学中也很常见。时间晶体的独特之处在于,它是一个由数百万事物组成的系统,在没有任何能量进入或泄漏的情况下,表现出这种协调一致的行为。

牛津大学物理学教授、论文合著者桑德希说:“这是物质的一个完全强健的阶段,在这个阶段,你不能微调参数或状态,但你的系统仍然是量子的。”。“没有能量供给,也没有能量消耗,它会永远持续下去,它涉及到许多强相互作用的粒子。”

虽然这听起来可能与“永动机”很接近,但仔细观察就会发现时间晶体并没有违反任何物理定律。熵——衡量系统无序度的一种方法,随着时间的推移保持稳定,通过不减少,略微满足热力学第二定律。

在这一时间晶体计划的制定和实现这一计划的量子计算机实验之间,许多不同研究团队的许多实验实现了各种几乎是时间晶体的里程碑。然而,提供“多体定位”(这一现象使时间晶体无限稳定)配方中的所有成分仍然是一个突出的挑战。

对于Khemani和她的合作者来说,time crystal成功的最后一步是与Google Quantum AI的团队合作。这个团队一起使用谷歌的Sycamore量子计算硬件,利用经典计算机的量子信息比特(称为量子比特)编程20个“自旋”。

本月,《科学》杂志发表了另一篇《时间晶体》,揭示了目前人们对时间晶体的浓厚兴趣。该晶体是由荷兰代尔夫特理工大学的研究人员在金刚石中使用量子比特而产生的。

量子机遇

由于量子计算机的特殊功能,研究人员得以证实他们声称的实时晶体。虽然(不完美的)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,因此晶体振荡的时间只能观察几百个周期,而不是无限期,但研究人员设计了各种协议来评估其创造的稳定性。其中包括在时间上前后运行模拟,并缩放其大小。

“我们设法利用量子计算机的多功能性来帮助我们分析其自身的局限性,”论文合著者、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所所长莫斯纳说。“它本质上告诉我们如何纠正自身的错误,以便从有限时间观测中确定理想时间晶体行为的指纹。”

理想时间晶体的一个关键特征是,它显示来自所有状态的无限振荡。验证这种对状态选择的鲁棒性是一项关键的实验挑战,研究人员设计了一种协议,在机器的一次运行中探测时间晶体的100多万个状态,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,以验证其重复结构。

“我们的量子处理器的一个独特功能是它能够创建高度复杂的量子态,”谷歌研究员、论文的共同主要作者小米说。“这些状态可以有效地验证物质的相结构,而无需研究整个计算空间,否则这是一项棘手的任务。”

毫无疑问,从根本上来说,创造物质的新阶段是令人兴奋的。此外,这些研究人员能够做到这一点的事实表明,量子计算机在计算以外的应用中越来越有用。“我乐观地认为,有了更多更好的量子位,我们的方法可以成为研究非平衡动力学的主要方法,”谷歌研究员、论文资深作者佩德拉姆·鲁尚(Pedram Roushan)说。

“我们认为量子计算机目前最令人兴奋的用途是作为基础量子物理的平台,”Ippoliti说。“有了这些系统的独特功能,你可能会发现一些你没有预料到的新现象。”

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