谷歌时间晶体登上Nature,诺奖得主重大猜想成为现实( 二 )


谷歌时间晶体登上Nature,诺奖得主重大猜想成为现实

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在博士研究生期间,Khemani 和她当时还在普林斯顿大学的博士生导师 Shivaji Sondhi,以及马克斯 · 普朗克复杂系统物理研究所的 Achilleas Lazarides 和 Roderich Moessner 无意中发现了这种制造时间晶体的方法 。 当时他们正在研究非平衡多体局域系统——粒子在它们开始的状态下会「卡住」并且永远不能转换至平衡状态的系统 。
他们试图探索物相在被激光定期击中时可能会发展的情况 。 出乎预料的是,他们不仅设法找到了稳定的非平衡相,而且还发现粒子的自旋在永远重复的模式之间翻转,其周期是激光驱动周期的两倍,从而形成了时间晶体 。
激光的周期性冲击为晶体的动态建立了特定节奏 。 通常,旋转的「舞蹈」应该与这种节奏同步,但在时间晶体中则不然 。 与之相反的是,自旋在两种状态之间翻转,只有在被激光击中两次后才能完成一个循环 。 这意味着系统的「时间平移对称性」被打破 。
对称性在物理学中扮演着重要的角色,它经常被打破——这是解释规则晶体、磁铁和许多其他现象的基础 。 然而时间平移对称性与其他对称性不同,它不能在平衡状态下被打破 。 周期性的冲击是一个漏洞,让时间晶体成为可能 。
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振荡周期的倍增是不寻常的,但也并非前所未有 。 长期的振荡在量子动力学的少粒子系统中也很常见 。 时间晶体的独特之处在于,它是一个由数以百万计的粒子组成的系统,却在没有任何能量进入或泄漏的情况下,具有同样的表现 。
「这是物质的一个完全稳定的阶段,你不能微调参数或状态,但你的系统仍然是量子的,」Sondhi 说,他是牛津大学的物理学教授,也是这篇论文的合著者 。 「没有能量的供给,没有能量的消耗,它会永远持续下去,包括许多强烈相互作用的粒子 。 」
虽然这听起来可能有点像「永动机」,但仔细观察就会发现,时间晶体并没有打破任何物理定律 。 熵——系统无序程度的一种度量——会随着时间的推移保持稳定,它不会减少并边际上满足热力学第二定律 。
在时间晶体计划的开发和量子计算机实验的实现之间,许多不同团队的研究人员实现了各种近似于时间晶体的里程碑的成果 。 然而,提供「多体定位」(使时间晶体具有无限稳定性的现象) 配方中的所有成分仍然是一个突出的挑战 。
对于 Khemani 和合作者来说,在时间水晶研究上取得成功的最后一步是与谷歌量子人工智能团队合作 。 这个小组共同使用谷歌的 Sycamore 量子计算硬件,利用经典计算机的量子比特编程 20 个「自旋」 。
11 月,《Science》刊登了另一篇关于时间晶体的文章,揭示了目前人们对时间晶体的强烈兴趣 。 这种晶体是荷兰代尔夫特理工大学的研究人员利用钻石内部的量子比特制造出来的 。
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量子的机遇由于量子计算机的特殊功能,研究人员得以证实所声称的真正的时间晶体 。 虽然当前量子装置的有限尺寸和相干时间意味着他们的实验在尺寸和持续时间上是有限的(时间晶体振荡只能观察几百个周期而不是无限期),研究人员设计了各种方案来评估产出的稳定性,其中包括向前和向后的运行模拟并缩放大小 。
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装有谷歌 Sycamore 芯片的冷却系统内部 。


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