在一篇新的研究論文中，谷歌科學(xué)家聲稱已將量子處理器用于一個有用的科學(xué)應(yīng)用：觀察真正的時間晶體。
如果“時間水晶”聽起來很科幻，那是因為它們確實如此。正如研究人員所說，時間晶體不亞于一種新的“物質(zhì)相”，多年來，它已經(jīng)被理論化為一種可能加入固體、液體、氣體、晶體等行列的新狀態(tài)。目前該論文仍處于預(yù)印階段，仍需要同行評審。
時間晶體也很難找到。但谷歌的科學(xué)家們現(xiàn)在相當(dāng)興奮地說，他們的結(jié)果建立了一種“可擴展的方法”來研究當(dāng)前量子處理器上的時間晶體。
理解為什么時間晶體很有趣需要一些物理學(xué)背景——特別是熱力學(xué)第二定律的知識，該定律指出系統(tǒng)自然傾向于處于一種稱為“最大熵”的狀態(tài)。
舉個例子：如果你將一些牛奶倒入咖啡杯中，牛奶最終會溶解在整個咖啡中，而不是停留在頂部，從而使整個系統(tǒng)達到平衡。這是因為讓咖啡隨機散布在整個咖啡中的方式比讓咖啡以更有序的方式坐在杯子頂部的方式要多得多。
正如熱力學(xué)第二定律所描述的，這種不可抗拒的熱平衡驅(qū)動反映了這樣一個事實，即所有事物都傾向于朝著不太有用的隨機狀態(tài)移動。隨著時間的推移，系統(tǒng)不可避免地退化為混沌和無序——也就是熵。
另一方面，時間晶體無法達到熱平衡。它們并沒有慢慢地退化為隨機性，而是陷入了兩種高能配置中，在它們之間切換——這種來回的過程可以永遠持續(xù)下去。
為了更好地解釋這一點，伯明翰大學(xué)物理與天文學(xué)院講師Curt von Keyserlingk沒有參與谷歌的最新實驗，他從對未來本科生的介紹性演講中提取了一些幻燈片。“他們通常假裝理解，所以它可能有用，”von Keyserlingk 警告。
它從一個思想實驗開始：在一個與宇宙其他部分隔離的封閉系統(tǒng)中取出一個盒子，裝入幾十個硬幣并搖晃它一百萬次。隨著硬幣相互翻轉(zhuǎn)、翻滾和彈跳，它們會隨機移動位置并變得越來越混亂。打開盒子時，預(yù)計你會看到大約一半的硬幣正面朝上，一半朝下。
實驗開始時硬幣朝上多還是朝下多并不重要：系統(tǒng)忘記了初始配置是什么，并且隨著搖晃變得越來越隨機和混亂。
這個封閉系統(tǒng)，當(dāng)它被轉(zhuǎn)化為量子域時，是嘗試尋找時間晶體的完美環(huán)境，也是迄今為止唯一已知的。“我們在封閉系統(tǒng)中設(shè)想的唯一穩(wěn)定時間晶體是量子力學(xué)的，”von Keyserlingk說。
進入谷歌的量子處理器Sycamore， 它以實現(xiàn)量子霸權(quán)而聞名，現(xiàn)在正在尋找某種有用的量子計算應(yīng)用程序。
根據(jù)定義，量子處理器是復(fù)制量子力學(xué)系統(tǒng)的完美工具。在這個場景中，谷歌的團隊用一個封閉系統(tǒng)中向上和向下旋轉(zhuǎn)的量子位來代表盒子中的硬幣；他們沒有搖動盒子，而是應(yīng)用了一組特定的量子操作，可以改變量子位的狀態(tài)，他們重復(fù)了很多次。
這就是時間晶體無視所有期望的地方。在經(jīng)過一定數(shù)量的操作或震動后查看系統(tǒng)，會發(fā)現(xiàn)量子位的配置不是隨機的，而是看起來與原始設(shè)置非常相似。
“構(gòu)成時間水晶的第一個要素是它記得它最初在做什么。它不會忘記，”von Keyserlingk說。“盒裝硬幣系統(tǒng)會忘記，但時間水晶系統(tǒng)不會。”
它并不止于此。搖動系統(tǒng)偶數(shù)次，您將獲得與原始配置相似的配置 - 但搖動奇數(shù)次，您將獲得另一個設(shè)置，其中尾部已翻轉(zhuǎn)為正面和反面-相反。
而且無論系統(tǒng)上執(zhí)行多少操作，它總是會翻轉(zhuǎn)，在這兩種狀態(tài)之間定期來回切換。
科學(xué)家稱這是時間對稱性的突破——這就是時間晶體被稱為時間晶體的原因。這是因為為刺激系統(tǒng)而執(zhí)行的操作總是相同的，而響應(yīng)只是每隔一次震動就會出現(xiàn)。
“在谷歌的實驗中，他們在這個自旋鏈上做一組操作，然后他們一次又一次地做完全相同的事情。他們在第100步做同樣的事情，如果他們走這么遠，”von Keyserlingk 說。
“因此，他們使系統(tǒng)受到一組具有對稱性的條件的影響，但系統(tǒng)的響應(yīng)方式卻打破了這種對稱性。它每兩個周期而不是每個周期都相同。這就是使它真正成為時間晶體的原因。”
從科學(xué)的角度來看，時間晶體的行為令人著迷：與其他所有已知系統(tǒng)相反，它們不會趨向于無序和混亂。不像盒子里的硬幣，它們會混在一起并以大約一半的正面和一半的反面沉淀，它們通過陷入一種特殊的時間晶體狀態(tài)來違反熵定律。
換句話說，它們違反了熱力學(xué)第二定律，該定律本質(zhì)上定義了所有自然事件的方向。
這樣的特殊系統(tǒng)不容易觀察到。自2012年獲得諾貝爾獎的麻省理工學(xué)院教授 Frank Wilczek開始思考時間晶體以來，時間晶體一直是一個令人感興趣的話題。此后，該理論多次遭到反駁、爭論和反駁。
迄今為止，已經(jīng)進行了多次嘗試來創(chuàng)建和觀察時間晶體，并取得了不同程度的成功。就在上個月，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的一個團隊 發(fā)表了一份預(yù)印本，顯示他們已經(jīng)在鉆石處理器中構(gòu)建了一個時間晶體，盡管該系統(tǒng)比谷歌聲稱的系統(tǒng)要小。
這家搜索巨頭的研究人員使用具有20個量子比特的芯片作為時間晶體——根據(jù)von Keyserlingk的說法，這遠遠超過了迄今為止所實現(xiàn)的，也超過了傳統(tǒng)計算機所能實現(xiàn)的。
von Keyserlingk解釋說，使用筆記本電腦可以很容易地模擬大約10個量子位。添加更多，很快就會達到當(dāng)前硬件的極限：每個額外的量子位都需要指數(shù)級的內(nèi)存。
這位科學(xué)家沒有說這個新實驗是量子霸權(quán)的展示。von Keyserlingk說：“對于我來說，它們還不夠遠，無法用經(jīng)典計算機來實現(xiàn)，因為可能有一種聰明的方法可以將它放在我沒有想到的經(jīng)典計算機上。” .
“但我認(rèn)為這是迄今為止最有說服力的時間晶體實驗證明。”
Google實驗的范圍和控制意味著可以更長時間地觀察時間晶體、進行詳細的測量集、改變系統(tǒng)的大小等等。換句話說，這是一個可以真正推動科學(xué)發(fā)展的有用演示——因此，它可能是展示量子模擬器在推動物理學(xué)發(fā)現(xiàn)方面發(fā)揮核心作用的關(guān)鍵。
當(dāng)然，有一些警告。與所有量子計算機一樣，谷歌的處理器仍然存在退相干問題，這會導(dǎo)致量子比特的量子態(tài)衰減，這意味著隨著環(huán)境干擾系統(tǒng)，時間晶體的振蕩不可避免地消失。
然而，預(yù)印本認(rèn)為，隨著處理器變得更有效地隔離，這個問題可以得到緩解。
有一件事是肯定的：時間晶體不會很快出現(xiàn)在我們的生活里，因為科學(xué)家們還沒有為它們找到明確的有用應(yīng)用。因此，谷歌的實驗不太可能是探索時間晶體的商業(yè)價值。相反，它展示了可能是量子計算的另一個早期應(yīng)用，以及該公司在競爭激烈的新發(fā)展領(lǐng)域的技術(shù)實力的又一次證明。
