8 月 13 日消息，日前谷歌研究人員利用 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出毫秒級(jí)的時(shí)間晶體。研究人員表示，這種新物相突破了現(xiàn)行物理學(xué)，或?qū)⒋蠓岣哂?jì)算機(jī)處理能力。如果一切順利的話，量子計(jì)算領(lǐng)域有望迎來新突破。
時(shí)間晶體聽起來就像科幻電影里的玄妙概念，可以打開通往不同宇宙的通道。漫威電影中的“時(shí)間石”就能夠控制過去、現(xiàn)在和未來。
雖然這仍是一個(gè)幻想，但科學(xué)家們多年來已經(jīng)成功在微觀尺度上創(chuàng)造出時(shí)間晶體。這并不能驅(qū)動(dòng)星際飛船，而是有望為超強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)提供能量。
“時(shí)間晶體就像是建造量子計(jì)算機(jī)道路上的一個(gè)休息站，”加州大學(xué)伯克利分校分子物理學(xué)家姚穎 (Norman Yao) 說。
谷歌聲稱，其已經(jīng)與斯坦福大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家合作開發(fā)出一種“可擴(kuò)展方法”，能夠利用公司的 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)來創(chuàng)造時(shí)間晶體。
上個(gè)月，這個(gè)由 100 名科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)在研究共享平臺(tái) Arxiv.org 上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)描述他們用 20 個(gè)量子位元組成的陣列創(chuàng)造出時(shí)間晶體。根據(jù)這篇論文的說法，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用讓量子位元上下自旋的算法，從而產(chǎn)生一個(gè)可以持續(xù)“無限長時(shí)間”的可控系統(tǒng)。
時(shí)間晶體由空間中的原子在時(shí)間上以重復(fù)模式排列而成。這種設(shè)計(jì)使它們能夠能量守恒的情況下隨時(shí)間演化。由于整個(gè)時(shí)間晶體的持續(xù)演化，因此也不需要太多能量輸入就能維持自身的穩(wěn)定性。這種新物相可能對(duì)原本依賴極其脆弱量子位元的量子計(jì)算機(jī)有用。
目前量子計(jì)算機(jī)中的量子位元容易出錯(cuò)，也非常脆弱，研究人員很難對(duì)其進(jìn)行控制和干預(yù)。姚穎則表示，時(shí)間晶體可能會(huì)引入一種維持量子計(jì)算的更好方法。
此外，這項(xiàng)工作所涉及的領(lǐng)域也是物理學(xué)家長期以來希望取得突破的領(lǐng)域。
“結(jié)果將是驚人的：你打破了熱力學(xué)第二定律，”這篇論文的合著者羅德里希?莫斯納 (Roderich Moessner) 說道。
2012 年，諾貝爾獎(jiǎng)得主物理學(xué)家弗蘭克?威爾切克(Frank Wilczek)最早提出了時(shí)間晶體的概念，他起初懷疑原子能否可以像普通晶體中那樣在時(shí)間軸上以重復(fù)模式排列。
從本質(zhì)上講，威爾切克是想知道一個(gè)封閉系統(tǒng)是否能夠以重復(fù)方式旋轉(zhuǎn)、振蕩或運(yùn)動(dòng)。多年來，世界各地的研究人員或多或少在驗(yàn)證威爾切克的觀點(diǎn)。
隨著時(shí)間推移，時(shí)間晶體的定義擴(kuò)大到包括受震動(dòng)、攪拌或激光轟擊等外部影響而激活的物體。
威爾切克說，“這個(gè)定義并不確定。但如果你想稱它為一種新的物質(zhì)狀態(tài)，你會(huì)希望它是自發(fā)進(jìn)行的，而不是受到外部影響。”
早期的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)用激光泵送離子，使其人為發(fā)生振蕩。威爾切克補(bǔ)充說，這種方法有用，但難以擴(kuò)展和復(fù)現(xiàn)。
到 2017 年，哈佛大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的科學(xué)家們透露，他們?cè)诘蜏貙?shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出微觀尺度的時(shí)間晶體。最近，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也公布了他們利用鉆石構(gòu)建時(shí)間晶體的方法。
科學(xué)家們說，大可以把時(shí)間晶體想象成能打破熱力學(xué)第二定律的永動(dòng)機(jī)。時(shí)間晶體也是第一種自發(fā)打破“時(shí)間平移對(duì)稱性”的東西。
威爾切克稱，雖然谷歌研究工作只創(chuàng)造出毫秒級(jí)的時(shí)間晶體，但是這項(xiàng)研究看起來很有希望。他補(bǔ)充說，假設(shè)一旦硬件更先進(jìn)，由此產(chǎn)生的時(shí)間晶體將能夠持續(xù)更長時(shí)間。
“沒有什么是永恒的，即使是鉆石中的質(zhì)子最終也會(huì)衰變，”威爾切克說。“如果你能制造出一種可以持續(xù)數(shù)百萬次或數(shù)千次周期的時(shí)間晶體，就能支持對(duì)環(huán)境敏感的技術(shù)。即使它并不完美，你也可以做很多事情。”
