新的量子计算架构创造时间晶体，寿命比谷歌的实验延长了10倍

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加州大学伯克利分校(UCB)的物理学家Norman Yao五年前首次描述了如何制造时间晶体——一种新的物质形式，其模式在时间而不是空间中重复。虽然一个完全隔离的时间晶体原则上可以永生，但是以往实验中创造的时间晶体只存在了几分之一秒。

2021年7月，由谷歌领导的一个研究团队首次利用量子计算机创造了时间晶体，这个晶体持续了大约十分之八秒。这一次，Yao和荷兰QuTech的研究人员使用了基于金刚石的量子计算机，持续了大约8秒，寿命比谷歌的实验长了10倍。

Norman Yao

在11月4日发表在《科学》杂志上的一篇论文中[1]，Yao和QuTech的研究人员报告了一种多体局域化离散时间晶体的创造，这种晶体持续了大约8秒钟，相当于800个振荡周期。QuTech是代尔夫特理工大学和荷兰独立研究机构TNO的合作项目。他们使用了基于金刚石的量子计算机，其中量子比特是嵌入金刚石内部的碳-13原子的核自旋。

QuTech的Joe Randall解释说:“虽然一个完全隔离的时间晶体原则上可以永生，但任何真正的实验都会因与环境的相互作用而衰变。进一步延长寿命是下一个前沿领域。”

该结果于今年夏天首次发布在arXiv上，另外由谷歌、斯坦福和普林斯顿的研究人员使用谷歌的超导量子计算机“悬铃木”在几乎同时进行的实验中进行了复制。那次演示使用了20个由超导铝带制成的量子比特，持续了大约十分之八秒。谷歌和QuTech利用量子计算机创造的时间晶体都被称为物质的Floquet相，这是一种非平衡材料。

QuTech首席研究员Tim Taminiau说:“多个实验突破同时发生，这是极其令人兴奋的。所有这些不同的平台都是相辅相成的。谷歌的实验使用了两倍多的量子比特；我们的时间晶体寿命大约延长了10倍。”

Qutech的团队以正确的方式操纵了9个碳-13量子比特，以满足形成多体局域化时间晶体的标准。

加州大学伯克利分校物理学副教授Norman Yao说:“时间晶体可能是物质非平衡相的最简单例子。QuTech系统完全有能力探索其他非平衡现象，例如Floquet拓扑相。”

这些结果是继几个月前发表在《科学》杂志上的另一次晶体观测之后[2]得出的，Yao的团队也参与了这次观测。在那里，研究人员观察到一种所谓的预热时间晶体，其中，次谐波振荡通过高频驱动来稳定。实验是在马里兰大学的Monroe实验室中进行的，使用了一个一维的俘获原子离子链，与五年前观察到第一个时间晶体动力学信号的系统相同。有趣的是，多体局域化时间晶体代表一种固有的量子Floquet相，而预热时间晶体可以作为物质的量子相或经典相存在。

然而，许多悬而未决的问题依然存在。时间晶体有实际应用吗？耗散有助于延长时间晶体的寿命吗？更一般地说，受驱动的量子系统是如何以及何时达到平衡的？

本次报告的结果表明，固体中的自旋缺陷是实验研究统计物理中这些重要开放问题的灵活平台。

加州大学伯克利分校研究生Francisco Machado说:“能够将自旋与环境隔离，同时仍然能够控制它们之间的相互作用，这为研究信息是如何保存或丢失的提供了一个绝好的机会。看看接下来会发生什么，这将是一件非常有趣的事情。”

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg8102

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