超越谷歌！IBM量子计算机制造出迄今为止最大的时间晶体

光子盒研究院出品

去年，谷歌团队宣布首次使用量子计算机制造出“时间晶体”，自此关于该领域的研究一发不可收拾。加州大学伯克利分校的Norman Yao和荷兰QuTech的研究人员使用金刚石量子计算机制造的“时间晶体”，持续了大约8秒，寿命比谷歌的实验长了10倍。

现在，墨尔本大学物理学院的Philipp Frey和Stephan Rachel使用IBM量子计算机制造出了迄今为止最大的时间晶体。时间晶体是一个由量子粒子组成的系统，它在时间上锁定在一个永久的循环中，有点类似于普通晶体中原子的重复空间模式。

时间晶体是一种在时间上重复的量子系统，类似于普通晶体的重复空间模式。图为艺术表达。

新的时间晶体由57个量子粒子组成，是谷歌科学家去年模拟的20粒子时间晶体的两倍多。没有参与这项工作的微软凝聚态物理学家Chetan Nayak说，这个系统太大了，以至于传统计算机无法模拟它。“所以这绝对是一个重要的进步。”这项工作显示了量子计算机模拟复杂系统的能力，否则这些系统可能只存在于物理学家的理论中。

时间晶体的概念出现于10年前，当时麻省理工学院的诺贝尔奖得主、理论物理学家Frank Wilczek从普通晶体的原子空间模式中获得了灵感。这种模式是从哪里来的？原子间的力的方程没有明确规定这一点，这似乎允许任何原子以相同的概率出现在任何地方。相反，如果原子充分冷却，它会自发出现。一旦几个原子相互靠近，那么下一个原子的位置就变得可以预测，一种只隐含在力中的模式就出现了。

然后，Wilczek想知道类似的事情是否会在时间上发生。他设想了一个量子粒子系统，通过不随时间变化的力相互作用，即使是在能量最低的状态下，也能以某种方式执行一些循环演化。他的结果证明这是不可能的。但在2016年，两个独立团队通过考虑一个由一些外部刺激反复推动的体系，重新提出了这个概念。他们发现，在适当的条件下，它可以锁定一种随时间变化的模式，这种模式以不同的、比外部刺激更低的频率重复。这种较低的频率响应是时间晶体的特征。

该系统由一系列微小的量子力学磁体组成，它们可以指向上、下，或者，可以同时指向两个方向。在磁链中，相邻的磁体倾向于以相反的方向排列以降低能量，而随机选择的局部磁场使每个磁体倾向于指向一个或另一个方向。稳定的磁脉冲流也会周期性地将磁体翻转，反之亦然。

简单来说，这个想法是，在适当的条件下，任何配置的磁体都会反复翻转，每两个脉冲翻转一次。从金刚石中的电子到阱中俘获的离子，再到量子计算机中的量子比特，实验者已经在各种系统中证明了这个想法。

在这次工作中，墨尔本大学的理论学家Philipp Frey和他的研究生Stephan Rachel使用IBM公司制造和运营的量子计算机远程进行模拟。

根据发表在《科学进展》上的论文显示[1]，量子比特可以一次设置为0、1或1和0，可以被编程为像磁体一样相互作用。研究人员发现，对于它们相互作用的某些设置，57个量子比特的任何初始设置(如01101101110…)都保持稳定，每两个脉冲就返回到原始状态。

65量子比特处理器ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn的拓扑结构，其中57量子比特用于模拟时间晶体。

乍一看，这种观察似乎有点令人失望。毕竟，如果磁体没有相互作用，每个脉冲都会将它们翻转180度，从而产生正好一半的频率响应。

然而，哈佛大学凝聚态理论学家Dominic Else解释说，使这个系统成为时间晶体的是磁体之间的相互作用稳定模式的方式。这使得系统不受缺陷的影响，例如脉冲的长度不足以翻转。“这实际上是物质的一个阶段，由多体相互作用稳定下来，”Else说。

但仅仅提高磁体相互作用的强度是不够的。Rachel表示，每对相邻磁体之间的相互作用也会随机变化。如果所有的磁体以相同的强度相互作用，那么如果一个磁体出了问题，它可能会导致磁链上的其他磁体也以错误的方式翻转。这种随机性实际上阻止了这种错误的传播，并稳定了时间晶体。

虽然有100多名研究人员参与了谷歌模拟，但Frey和Rachel独自进行了更大的演示，通过互联网将其提交给IBM计算机。Rachel说：“只有我、我的研究生和一台笔记本电脑，Philipp太棒了！”他估计整个项目花了大约6个月的时间。

Rachel表示，演示并不完美。这种翻转模式应该无限期地持续下去，但IBM机器中的量子比特保持状态的时间只能模拟大约50个周期。最终，相互作用的稳定效应可能被用于在量子计算机的存储器中存储一串量子比特的状态。

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

[2]https://www.science.org/content/article/physicists-produce-biggest-time-crystal-yet

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：