谷歌量子计算机造出的时间晶体，可能带来完美的量子计算机

Original 光子盒研究院光子盒 2022-07-04

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7月28日的一篇arXiv预印版论文显示，由谷歌领导的一个研究团队使用谷歌的量子计算机创造了时间晶体。这一里程碑事件有三重意义：

首先，达成了理查德·费曼在1981年提出的使用量子计算机模拟量子物质的设想；其次，时间晶体这种物质十分特殊，就像一台原子层面的“永动机”，首次在量子计算机中造出；最后，时间晶体可能是制造实用量子计算机的完美物质。

什么是时间晶体？

2012年，诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔泽克首次提出了时间晶体(time crystal)这一概念，并于2016年确定。

爱因斯坦告诉我们，世界是四维的，除了三维的空间之外，还有一个维度就是时间。在三维空间上结晶的晶体，是不是也存在着在时间上结晶的晶体呢？

对此诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔泽克教授给出了肯定的答案。时间晶体的另一称呼叫“永远运动的系统”，即使在没有任何外部能量的情况下，它的组成粒子也处于恒定的、系统重复的运动中。时间晶体的运动是不需要外部能量的加入，但它也不能向外输出能量，并且不改变自身的运动状态。

“时间晶体跳出了热力学第二定律（孤立系统的自发熵增），”德国马克斯普朗克复杂系统物理研究所所长、谷歌论文的合著者Roderich Moessner说道。

举个现实中的例子，如果我们向一杯温水中投入一个冰块，水的热量会传递给冰块，使冰块升温融化，而并不是说冰块将自身的热量传递给温水，于是自己变成了一块更冷的冰，而水变得比之前更热了。因为温度只能从高温物体向低温物体移动，最终实现热量平衡，这就是热力学上所讲的熵增。

但是时间晶体的神奇之处在于，当它在两种不同的结构之间来回循环时，它不会损失或使用任何能量。

这就像一杯水在温度完全不变的情况下，每隔一段时间就会变成冰，然后再融化成水。循环往复，永不停止。

这对于量子计算有何意义？

量子计算有潜力解决当今经典计算机无法解决的现实问题。不幸的是，它很脆弱。主要受到一种叫做“退相干”的东西影响，这很像熵。时间晶体或许能够解决这一问题。

2018年5月，芬兰阿尔托大学的研究表明，时间晶体可能是制造量子计算机的关键。通过自振荡过程，时间晶体在自身内部交换电子，而不使用能量，这使得离子无论经过多少时间都能够保持相干。

2020年8月，在《自然·材料》杂志发表的一篇论文中，研究人员首次观察到了时间晶体的相互作用。

来自英国兰卡斯特大学、伦敦皇家霍洛威大学伦敦分校、美国耶鲁大学和芬兰阿尔托大学的国际团队使用氦-3观测了时间晶体。氦-3是氦罕见的同位素，缺少一个中子。

研究人员将超流体氦-3冷却到绝对零度（零下273.15摄氏度）附近，然后在超流体内部创建了两个时间晶体，并使其接触。科学家观察到两个时间晶体相互作用，并交换组成颗粒——这些粒子从一个时间晶体流向另一种时间晶体，然后又返回，这种现象被称为约瑟夫森效应。

论文主要作者、英国兰卡斯特大学的萨穆利·奥蒂博士表示，尽管周围环境变化，时间晶体仍会自动保持完整（相干），让相干性延续时间尽可能长是发展强大的量子计算机必须要解决的主要“拦路虎”。

如果谷歌真的创造了时间晶体，是时候看看可以用它来做些什么了。

参考文章：

[1]https://arxiv.org/pdf/2107.13571.pdf

[2]https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/#comments

[3]https://thenextweb.com/news/google-may-have-achieved-breakthrough-time-crystals

[4]https://thenextweb.com/news/time-crystals-could-be-the-miracle-quantum-computing-needs

[5]https://www.slashgear.com/googles-quantum-computer-supposedly-just-made-a-time-crystal-30684692/

[6]https://www.inverse.com/innovation/time-crystals-quantum-computing-study

[7]http://www.cas.cn/kj/202008/t20200819_4756433.shtml