时间晶体在两种状态之间来回移动而不消耗能量。谷歌的量子霸权并没有真正证明量子计算机有应用价值，但新的时间晶体演示标志着量子计算机首次实现了有价值的工作。
在本周三晚(7月28日)，发布在arxiv的一份预印本中[1]，谷歌的研究人员与斯坦福大学、普林斯顿大学和其他大学的物理学家合作，表示他们已经使用谷歌的量子计算机展示了真正的“时间晶体（Time crystal）”。而本月早些时候，另一个独立的研究小组声称，已经在钻石中制造出了时间晶体[2]。
作为物理学家多年来一直努力实现新物质的一个新阶段，时间晶体这特殊“物体”，其组成在一个有规律的、重复的循环中运动，在不燃烧任何能量的情况下维持这种不断变化。
图1｜就像永动机一样，时间晶体在不燃烧能量的情况下在两种状态之间来回翻转。物理学家声称已经在量子计算机中构建了这种物质（来源：QMagazine）
正如德国普朗克复杂系统物理研究所所长、谷歌论文的合著者 Roderich Moessner 所言: “结果是惊人的，你躲过了热力学第二定律”。这就是定律所说的无序总是在增加[3]。The consequence is amazing: You evade the second law of thermodynamics。
时间晶体也是第一个自发打破 "时间平移对称性（Time-translation symmetry）"的物体，即一个稳定的物体在整个时间内保持不变的通常规则。时间晶体既稳定，又不断变化，具有在时间的周期性间隔中出现的特殊性。时间晶体是物质相的一个新类别，扩大了对相的定义。所有其他已知的相（Phase），如水或冰，都处于热平衡状态。它们的组成原子已经进入环境温度所允许的最低能量状态，而且它们的特性不会随着时间而改变。时间晶体是第一个 "非平衡 "相。尽管处于激发和演化状态，但它具有秩序和完美的稳定性。与谷歌团队共同撰写了这篇新论文的合作者，斯坦福大学的一名凝聚态物理学家Vedika Khemani对外表示："这就是我们现在工作的这个全新且令人兴奋的领域[4]。早在2015年，Khemani、Moessner、普林斯顿大学的Shivaji Sondhi和英国拉夫堡大学的Achilleas Lazarides发现了该相的存在可能性，并描述了它的关键特性；由微软Q Station和加州大学圣巴巴拉分校的Chetan Nayak领导的一个竞争物理学家小组不久后，将其确定为时间晶体。一晃六年时间里，研究人员竞相创造了时间晶体，但之前的演示尽管其本身很成功，但却未能满足确定时间晶体存在所需的所有标准[5]。牛津大学的凝聚态物理学家John Chalker说：“我们有充分的理由相信，这些实验没有一个是完全成功的，而像谷歌这样的量子计算机比早期的实验好得太多，特别适合做类似的实验” 。他本人并没有参与这项新工作，因此客观的对此做出评论。
图2｜用于存放谷歌量子处理器的低温恒温器（来源：Google）谷歌的量子计算团队在2019年实现“量子霸权”优势，拔得头筹，成为全球头条新闻[6]。他们首次进行了普通计算机被认为无法在实际时间内完成的计算[7]。然而，这项任务是人为设计，主要是为了显示相比于经典计算机速度的超越，并没有内在的应用意义。新的时间晶体演示，标志着量子计算机首次找到了有价值的工作之一。随着7月28日预印本和其他最近的相关成果[8]，研究人员已经实现了对量子计算机的最初希望。物理学家费曼（Richard Feynman）在他1982年的论文中提出了这种设备[9]，认为它们可以用来模拟任何可以想象的量子系统的粒子，梦想成真。时间晶体印证了这一愿景，这是一个自然界本身可能从未创造过的量子物体，因为它是由精致的成分复杂组合而成的。在自然界最令人费解的法则激发下，想象力创造了这个“配方”。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek在2012年构思了这个想法，当时他正在教授一个关于普通（空间）晶体的课程。在对外交谈中，他提到"如果你思考空间中的晶体，那么很自然地也会思考时间中的晶体行为分类"。考虑一下钻石，这是一个碳原子团块的结晶相。该团块在空间各处都受相同方程的支配，然而它采取的形式具有周期性空间变化，原子被定位在晶格点。物理学家说，它 "自发地打破了空间平移对称性"。只有最小能量平衡态才会以这种方式自发打破空间对称性。 Wilczek设想了一个处于平衡状态的多部件物体，很像钻石。但是这个物体打破了时间平移对称性: 它经历了周期性的运动，以固定的时间间隔返回到其初始配置。Wilczek提出的时间晶体与墙上的挂钟有着天壤之别，虽然墙上的钟也经历着周期性的运动。钟表指针会燃烧能量，在电池耗尽时停止。而Wilczek的时间晶体不需要消耗能量，并且可以无限期地继续下去，因为系统处于超稳定的平衡状态。如果这听起来不靠谱，那就对了。在经历了诸多争议之后，2014年的一份证据表明[10]，Wilczek是失败了，就像历史上所有其他永动机的构想有共同的命运。同年，在普林斯顿大学的研究人员正在思考其他问题。Khemani和她的博士生导师Sondhi正在研究多体局域化（Many-body localization），这是安德森局域化的延伸，是1958年获得诺贝尔奖的发现，电子可以被固定在某个位置，就像是在崎岖地形中的裂缝中一样。一个电子最好被描绘成一个波，它在不同地方的高度给出了在那里检测到粒子的概率。波自然会随着时间的推移而散开。但Philip Anderson发现，随机性，例如晶格中存在的随机缺陷会导致电子的波分裂，与自身发生破坏性的干涉，并在除一个小区域外的其他地方抵消。粒子被局域化。几十年来，人们认为多个粒子之间的相互作用会破坏干涉效应（interference effect）。但在2005年，普林斯顿大学和哥伦比亚大学的三位物理学家表明[11]，一维的量子粒子链可以经历多体定位；也就是说，它们都停留在一个固定的状态，这种现象将成为时间晶体的第一要素。想象一下，有一排粒子，每个粒子都有一个磁取向（或 "自旋"），指向上、下或两个方向的某种概率。再想象一下，前四个自旋最初都指向上、下、下和上。如果可以的话，这些自旋将进行量子力学波动并迅速对齐。但它们之间的随机干扰会导致这排粒子卡在它们的特定结构中，无法重新排列或进入热平衡状态。Sondhi和一位合作者发现，多体局域系统可以呈现一种特殊的顺序，这将成为时间晶体的第二个关键成分：如果你翻转系统中的所有自旋（如上案列产生向下、向上、向上和向下），你会得到另一种稳定的多体局部状态（见下图）。
图3｜多体局部状态（来源：Samuel Velasco）辗转到2014年秋天，Khemani 在普朗克研究所休假期间加入了 Sondhi。在那里，Moessner 和 Lazarides 专门研究所谓的 Floquet 系统: 周期性驱动的系统，例如用某种频率的激光刺激晶体。激光的强度以及它对系统的影响的强度，周期性地变化着。Moessner、Lazarides、Sondhi和Khemani研究了当一个多体局域系统以这种方式被周期性地驱动时会发生什么。他们在计算和模拟中发现，当用激光以特定的方式干扰一个局域自旋链时，它们会来回翻转，在两个不同多体局域态之间重复循环移动，神奇之处在于，这个过程中，没有吸收任何激光的净能量。他们把他们的发现称为π自旋玻璃相（π表示180度的翻转）。该小组在2015年的预印本[12]中报告了这种新的物质相的概念，这是有史以来发现的第一个多体、非平衡相（many-body, out-of-equilibrium phase）。但是， "时间晶体 "这个词并没有出现在其中任何地方。作者在2016年6月发表在《物理评论快报》上的更新版本[13]中加入了这个词，并在致谢中感谢一位审稿人在他们的π自旋玻璃相和时间晶体之间建立了联系。一块 Floquet 时间晶体展现了维尔切克所设想的那种行为，但只有在周期性地受到外部能量源驱动时才会出现。这种时间晶体避免了维尔切克最初想法的失败，因为他从未宣称自己身处热平衡。因为它是一个多体局域系统，它的自旋或其他部分无法达到平衡; 它们被困在原来的位置。但是这个系统也不会发热，尽管被激光或其他驱动器泵浦。相反，它在局域态之间无限地来回循环。
图4｜斯坦福大学的凝聚态物理学家 Vedika Khemani，在2015年还是一名研究生的时候，就与三位合作者一起构想出了新的时间晶体相（来源：Rod Searcey）
激光已经打破了自旋行中所有时间点之间的对称性，取而代之的是“离散时间平移对称”——也就是说，只有在激光每个周期循环之后，才会出现相同的条件。但是，通过它的前后翻转，这一排自旋进一步打破了激光强加给它的离散时间平移对称性，因为它自己的周期循环是激光周期的倍数。Khemani和合著者已经详细描述了这一阶段的特征，但Nayak小组用时间、对称性和自发对称性破坏的语言来表述它，这些都是物理学的基本概念。除了提供更性感的术语外，他们还提供了理解的新方面，并且他们将 Floquet 时间晶体的概念略微推广到 π 自旋玻璃相之外(注意到它不需要某种对称性)。论文发表在2016年8月的《物理评论快报》上[14]，两个月前，Khemani 和他的公司发表了第一个阶段实例的理论发现。异曲同工，两个组织都声称发现了这个想法。从那时起，竞争对手的研究人员和其他人员就开始竞相在现实中创造时间晶体。Nayak的团队与马里兰大学的 Chris Monroe 合作，后者使用电磁场来捕获和控制离子。上个月，该小组在《科学》杂志上报告说[15]，他们已经将捕获的离子转化成一种近似的，或者说“预热”的时间晶体。它的周期性变化（在这种情况下，离子在两种状态之间跳跃）实际上与真正的时间晶体没有区别。但与钻石不同的是，这种预热时间晶体不是永久的；如果实验运行足够长的时间，系统将逐渐平衡，周期性行为将被打破。于是乎，Khemani、Sondhi、Moessner和合作者们另辟蹊径，在其他地方搭车。至2019年，谷歌宣布其Sycamore量子计算机在200秒内完成了一项传统计算机需要1万年的任务。(虽然后来IBM质疑谷歌“量子优势”[16]，阿里发文否定谷歌量子霸权[17]以及中国的科学家相继证明可以加快经典计算机速度更快的完成同等任务）。Moessner说，在阅读公告文件时，他和他的同事们意识到，"Sycamore处理器包含的基本构件正是我们实现Floquet时间晶体所需要的东西"。偶然的是，Sycamore的开发者也在为他们的机器找可做的事情，这台原型机器太容易出错，无法运行为成熟的量子计算机设计的密码学和搜索算法。当Khemani及其同事联系到谷歌的理论家Kostya Kechedzhi时，他和他的团队很快同意在时间晶体项目上进行合作。Kechedzhi说："我的工作，不仅是离散时间晶体，还有其他项目，比如尝试使用我们的处理器作为科学工具来研究新的物理学或化学。"视频: 量子计算机并不是下一代超级计算机，它们完全是两码事
在我们开始讨论它们的潜在应用之前，我们需要了解驱动量子计算理论的基础物理学《一文读懂量子计算》[18]。在演示中，Kechedzhi和合作者使用一个有20个量子比特的芯片作为时间晶体。与竞争对手相比，谷歌量子计算机的主要优势在于它能够调整其量子比特之间的相互作用强度。这种可调性是该量子系统能够成为时间晶体的关键：程序员可以随机调整量子比特的相互作用强度，这种随机性在它们之间产生了破坏性的干扰，使这一排自旋能够实现多体定位（Many-body Localization）。这些量子比特可以锁定在一个固定的方向上，而不是对齐。研究人员给出了任意的初始自旋结构，例如：向上、向下、向下、向上，等等。给系统注入微波，微波会上下翻转，将指向上的自旋翻转为指向下的自旋，反之亦然。通过对每个初始构型运行数以万计的演示，并在每次运行后测量量子比特的状态，研究人员可以观察到自旋系统在两个多体局域态之间来回翻转。取得一个阶段成功的标志是极端稳定。事实上，研究人员发现，微波脉冲只需将自旋翻转180度左右，自旋就会在两次脉冲后恢复到它们最初的方向。此外，自旋从未吸收或耗散来自微波激光的净能量，使系统的无序状态保持不变。7月5日，位于荷兰代尔夫特理工大学的一个团队报告说[19]，他们不是在量子处理器中，而是在钻石碳原子的核自旋中制造出了 Floquet 时间晶体。与谷歌量子处理器中的时间晶体相比，代尔夫特系统更小，也更有限。目前还不清楚 Floquet 时间晶体是否有实际用途。但是它的稳定性对Moessner来说似乎很有希望。他说："如此稳定的东西不同寻常，特殊的东西会变得有用（Something that’s as stable as this is unusual, and special things become useful）"。或者，这种状态可能仅仅是在概念上有用。这是第一个也是最简单的失去平衡相的例子，但是研究人员怀疑，在物理上可能存在更多这样的相。Nayak本人认为，时间晶体照亮了关于时间性质的一些深刻的东西。他说，通常在物理学中，"无论你如何努力将“时间”作为另一个维度来对待，它总是有点离群索居"。爱因斯坦在统一方面做了最好的尝试，将三维空间和时间编织成一个四维的结构：时空。但即使在他的理论中，单向的时间也是独一无二的。纳亚克说，有了时间晶体，"这是我所知道的第一个案例，突然间，时间只是其中的一个帮派"。不过，Chalker 认为，时间仍然是一个异类。他说， Wilczek的时间晶体将是时间和空间的真正统一。空间晶体处于平衡状态，与此相关的是，它们打破了连续的空间平移对称性。在时间的情况下，只有离散的时间平移对称性可能被时间晶体打破，这一发现为时间和空间之间的区别提出了一个新的角度。在量子计算机上探索的可能性推动下，这些讨论将继续下去。凝聚态物理学家过去关注的是自然界的相位。"查尔克说："重点从研究自然界给我们的东西转移到梦想量子力学所允许的奇异物质形式。引用：
[1]https://arxiv.org/abs/2107.13571
[2]https://arxiv.org/abs/2107.00736
[3]https://www.pks.mpg.de/moessner
[4]https://sitp.stanford.edu/people/vedika-khemani
[5]https://arxiv.org/abs/2007.11602
[6]https://www.qtumist.com/post/9761
[7]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[8]https://ai.googleblog.com/2021/06/achieving-precision-in-quantum-material.html
[9]https://link.springer.com/article/10.1007/BF02650179
[10]https://link.springer.com/article/10.1007/BF02650179
[11]https://arxiv.org/abs/cond-mat/0506617
[12]https://arxiv.org/abs/1508.03344v1
[13]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.250401
[14]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.090402
[15]https://science.sciencemag.org/content/372/6547/1192
[16]https://www.qtumist.com/post/9647
[17]https://www.qtumist.com/post/10963
[18]https://www.qtumist.com/post/8797
[19]https://arxiv.org/abs/2107.00736
[20]https://www.quantamagazine.org/
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