第三类永动机成真了：谷歌量子计算机成功构造时间晶体

2021年8月7日 326点热度 0人点赞 0条评论

时间晶体能在两个状态之间来回切换，而不消耗能量。来源：Maylee for Quanta Magazine

“第三类永动机”是指依靠惯性保持运动，不受摩擦力等其他耗散力影响的机械系统。诺奖得主维尔切克构思出的时间晶体能永远在不同状态之间循环而不消耗能量，因此属于第三类永动机。

不过，因为机械系统的能量耗散无法避免，这类永动机被认为不可能存在。但是最近，一个物理学家团队宣布，他们在谷歌量子计算机中成功构造了物质的时间晶体相。

来源 | Quanta Magazine

撰文 | Natalie Wolchover

翻译 | 武大可

编辑 | 戚译引

7 月 29 日，谷歌的研究者与美国斯坦福大学、普林斯顿大学和其他大学的物理学家团队在一篇预印本论文中宣布，他们使用谷歌的量子计算机实现了真正的“时间晶体”（time crystal）。而在 7 月早些时候，另一个研究团队也宣称在钻石中创建了一种时间晶体。

物理学家致力于实现时间晶体已有多年。时间晶体是一种物质相，其组成成分有规律地重复循环运动，其不断变化却不消耗任何能量。

“时间晶体理论出乎物理学家预料：它似乎违反了热力学第二定律，”德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所主席、谷歌论文的合著者 Roderich Moessner 说。根据热力学第二定律，系统的无序性总会增加。

时间对称性（time-translation symmetry）是稳定物体在时间上保持不变的一般规律，时间晶体是首个出现“时间对称性自发破缺”（spontaneous break）的物质。时间晶体既稳定，又不断变化，以周期性的间隔重现特定状态。

时间晶体是一类新的物质的相，它扩展了相的定义。已知的所有物相，如液相（水）或固相（冰），都处于热力学平衡态：组成这些系统的原子处于环境温度所允许的最低能量状态，并且它们的特性并不随时间变化。时间晶体是首个“失去平衡”的物相：尽管处于能量更高的激发态，随着时间不断演化，却具有完美的有序性和稳定性。

“我们正是在这个激动人心的新领域展开研究，”在研究生阶段与参与了谷歌团队研究的合著者、现任职于斯坦福大学的凝聚态物理学家 Vedika Khemi 说。

普林斯顿大学的 Khemani、Moessner、Shivaji Sondhi 和英国拉夫堡大学的 Achilleas Lazarides 于 2015 年发现了这一物相存在的可能，并描述了其关键特性；不久后，一个由微软 Station Q 的 Chetan Nayak 和加州大学圣芭芭拉分校领导的团队将其称为“时间晶体”。这一概念由诺贝尔奖获得者、物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在 2012 年首次提出。

在过去的五年里，研究人员竞相尝试在实验室中创造时间晶体。一些团队取得了初步成就，尽管达到了自定的要求，但并不符合确认时间晶体存在所需的全部标准。“有理由认为这些实验并未完全成功。而相比那些早期研究，像谷歌这样的量子计算机更适合用来完成这一实验，”未参与这项新研究的牛津大学凝聚态物理学家 John Chalker 说。

用于存放谷歌量子处理器的低温恒温器。图片来源：Google

2019 年，谷歌量子计算团队宣布首次执行了一项普通计算机无法以有意义的耗时完成的计算任务，引发了关注。然而这一任务是为了显示量子计算机的速度优势而设计的，本身并没有太大实际意义。现在，对时间晶体的全新演示标志着量子计算机的第一项有回报的工作。

“这是谷歌量子计算机的绝妙应用，”Nayak 说。

7 月 29 日的预印本已经向期刊投稿。该研究和近期其他成果表明，研究人员最初寄予量子计算机的厚望终于实现。1982 年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynmann）在他提出量子计算机构想的论文中认为，量子计算机能够用来模拟人们能够想到的任何量子系统中的粒子。

时间晶体实现了这一愿景。由于其精妙的组成，自然本身或许永远无法创造出这样的量子物体。是想象力构建了它的“配方”，而大自然最令人费解的规律将“原料”融为一体。

不可能的想法重获新生

时间晶体最初的概念存在一个致命缺陷。

诺贝尔奖获得者、物理学家维尔切克在 2012 年教授一门关于一般晶体（空间晶体）的课程时提出了这一构思。“如果我们对空间上的晶体进行思考，那么考虑时间上的晶体这一分类也是自然而然的事情，”在那之后不久，他这样告诉 Quanta Mazagine。（译者注：物理学上的晶体指具有离散的空间平移对称性[周期性重复]的点阵。在时间维度上具有类似性质的就是时间晶体。）

考虑一块钻石，它是一团碳原子的结晶相。这团碳原子在任何空间位置都受到同一方程的约束，因此其形式呈现出空间周期性的变化，原子位于空间晶格的格点。物理学家称之为“空间平移对称性的自发破缺”。只有最低能量的平衡态才会以这一方式打破空间对称性。

维尔切克设想了一个平衡的多部分系统，类似于钻石。但这一结构打破的是时间平移对称性：它进行周期性的运动，以规则的间隔回到初始的配置状态。

维尔切克提出的时间晶体与摆钟（也是进行周期性运动的物体）截然不同。钟摆消耗能量，并最终在能量耗尽时停下。但维尔切克的时间晶体处于超稳定的平衡态（ultra-stable equilibrium state），不需要能量输入，就能无期限地持续下去。

这看起来不可情理，实际上也确实不合情理：在轰动与争议之后，2014 年的一项研究表明，就像历史上的众多永动机构想一样，维尔切克的方案失败了。

同年，普林斯顿的研究人员正在进行其他研究。Khemani 正与她的博士导师 Sondhi 研究多体局域化（many-body localization，是 Anderson 局域化的延伸）相关的研究。Anderson 局域化说明电子可以被“卡在原地”，就像卡在崎岖地面的缝隙中一样，这一发现赢得了 1958 年的诺贝尔奖。

对电子最好的描述方式是波，根据波在不同位置的值能够推算出在那里检测到粒子的概率。随着时间演化，波会自然地扩散。但 Philip Anderson 发现一些随机性（例如晶格中随机的缺陷）会导致波的分裂，与自身产生干涉（interfere），破坏原有特性，在一个极小区域以外的地方与自身抵消。粒子由此发生局域化。

几十年来，人们一直认为多个粒子间的相互作用会破坏这一干涉效应（译者注：即使量子多体系统中的粒子无法局域化）。但 2005 年，普林斯顿大学和哥伦比亚大学的三位物理学家的研究表明，一维的粒子链能够发生多体局域化；也就是说，其中粒子都陷入了固定状态。这一现象后来成为了时间晶体的首个要素。

考虑一排粒子，其中每个粒子都具有处于向上，向下，或两者以某概率混合状态的自旋（磁性朝向）。假设最初 4 个粒子的自选分别为上、下、下、上。若有可能，这些自旋会发生量子涨落，并快速对齐（全部向上或全部向下，译者注）。但之间随机的干涉可能导致这排粒子“卡在”某种特定配置中，无法重新排列，也无法进入热力学平衡。它们会永远处于上、下、下、上的状态。

Sondhi 和一位合作者发现，多体局域化系统可以表现出一种特殊的秩序，这成为了时间晶体的第二个要素：如果翻转系统中的所有自旋（如将上例中的自旋系统，变为下、上、上、下），得到的会是另一个稳定的多体局域化系统。

图片来源：Samuel Velasco/Quanta

在 2014 年的秋天，Khemani 作为访问学者，加入了位于德累斯顿的马普所的 Sondhi 团队。Moessner 和 Lazarides 在那里专门研究 Floquet 系统，即受周期性驱动的系统，例如特定频率激光激发的晶体。激光的强度周期性变化，其对系统的影响效应也会周期性变化。

Moessner、Lazarides、Sondhi 和 Khemani 研究了多体局域化系统在这种周期性驱动下的行为。他们在计算和模拟中发现，当使用激光以特定方式激发局域化自旋链时，自旋系统会来回翻转，持续在两个不同的多体局域化状态之间循环，而不从激光中吸收任何净能量。

他们将这一发现称为 pi 自旋玻璃相（pi 表示 180° 翻转）。团队在 2015 年的预印本论文中报告了这种新物相的概念——这是有史以来被发现的第一个多体非平衡相，但“时间晶体”一词并未出现在论文中。该研究于 2016 年发表在《物理评论快报》（PRL）上，作者们在更新版本中添加了这一术语，并向将 pi 自旋玻璃相与时间晶体联系起来的审稿人致谢。

在预印本发布和论文出版之间还发生了许多事情：维尔切克之前的研究生 Nayak 和合作者 Dominic Else 和 Bela Bauer 在 2016 年 3 月发布了一篇预印本论文，提出存在被称为 Floquet 时间晶体的物质。他们以 Khenami 和同事的 pi 自旋玻璃相为例作了说明。

Floquet 时间晶体表现出与维尔切克设想相同的行为，但仅限于受外部能源周期性驱动的情形。不过这一发现并未宣称时间晶体处于热力学平衡态，因此并不违反 Wilczek 最初的设想。由于它是一个多体局域化系统，其自旋或其他部分都无法达到平衡态；它们被“困在原地”。但尽管被激光或其他能源驱动，该系统也并不升温。相反地，它在局域化状态之间无限地来回循环。

斯坦福大学的凝聚态物理学家 Vedika Khemani 在 2015 年读研究生时与三位合著者构想了最近实现的时间晶体。图片来源：Rod Searcey

激光已经打破了一维自旋链在时间上的连续对称性，“离散的时间平移对称性”（discrete time-translation symmetry）取而代之——也就是说，相同的条件仅在激光的每个循环周期结束后才会出现。而自旋的来回翻转进一步破坏了激光施加的离散时间平移对称性——其周期时激光周期的数倍。

Khemani 与合著者详细地表征了这一物相，而 Nayak 团队使用时间、对称性和自发对称破缺这些物理学中的基本概念对其进行了描述。除了提供更有吸引力的名词外，他们还提出了新的理解角度，并对 pi 自旋玻璃相以外的 Floquet 时间晶体概念（并不一定需要对称性）进行了概括。他们的论文于 2016 年 8 月发表在《物理评论快报》（PRL）上，两个月后，Khemani 和公司发表了首个这一物相案例的理论发现。

两个团队都声称自己发现了这一概念。自此，这些互相竞争的研究者和其他人一起，开始竞相尝试创造实际的时间晶体。

完美的平台

Nayak 的团队与马里兰大学的 Chris Monroe 展开了合作，后者使用电磁场对离子进行捕获和操控。该小组一个月前在《科学》（Science）上报告，他们成功将捕获的粒子转变为了近似的，或“预热”（prethermal）的时间晶体。其周期性变化（离子在两种状态间跃迁）与真正的时间晶体无法实际区分。但与钻石不同，这种“预热”时间晶体并不是永恒的。只要实验运行的时间足够长，系统就会逐渐趋于平衡，循环行为最终会崩溃。

Khemani、Sondhi、Moessner 和合作者搭上了另一趟顺风车。2019 年，谷歌宣布其“悬铃木”（Sycamore）量子计算机在 200 秒内完成了一项传统计算机需要一万年才能完成的计算任务。（后有研究表明，存在可大大缩短普通计算机完成该任务所需时间的算法。）Moessner 说，他和同事在研读谷歌发布的论文时意识到，“悬铃木计算机所包含的基本单元正是我们实现 Floquet 时间晶体所需要的东西。”

无独有偶，悬铃木的开发人员也在寻找与他们的量子计算其相关的任务。悬铃木太易出错，无法运行专为成熟的量子计算机设计的密码学算法和搜索算法。Khemani 和同事联系了谷歌的理论研究者 Kostya Kechedzhi，他很快就同意了在时间晶体项目上展开合作。“我的工作，不论是离散时间晶体研究还是其他项目，都是为了尝试将我们的处理器用作全新物理或化学研究的工具。”Kechedzhi 说。

量子计算机由量子位组成。量子位本质上是可操控的量子粒子，每个粒子都能同时保持两种可能的状态，标记为 0 和 1。在量子位相互作用时，它们能够共同够成指数数量的同时可能性（即状态空间，译者注），从而实现计算优势。

谷歌“悬铃木”的量子位由超导铝条组成。每个量子位都有两种可能的能量状态，可编程表示为向上或向下的自旋。在演示中，Kechedzhi 和合作者使用了一个具有 20 个量子位的芯片作为时间晶体。

和竞争对手相比，这一计算机的主要优势或许就体现在它能够调整其量子位之间的相互作用强度。这种可调性是系统能够成为时间晶体的关键：编程者可以随机化量子位之间的相互作用强度，令这一随机性在量子位之间产生破坏性的干涉，使自旋系统发生多体局域化。最终量子位被“锁定”入特定的朝向模式，而非全部同向对齐。

研究人员设置了任意的初始自旋配置，类似于“上、下、下、上”等。使用微波驱动能令自旋向上的量子位翻转至自旋向下，反向亦然。通过为每个初始配置运行数万次演示，并在每次运行的不同时间点后观测量子位的状态，研究者能够观察到自选系统在两个多体局域化状态间来回翻转。

相的标志是极端的稳定性。即使温度波动，冰也依然是冰。事实上，研究者发现，翻转自旋所需的仅是一定角度范围内的微波脉冲，小于 180°。自旋在两次脉冲后会回到特定的初始方向，就像小船自行扶正。此外，自旋系统并不会从微波激光中吸收，或向外耗散任何净能量，这使得系统的无序度得以保持不变。

7 月 5 日，荷兰代尔夫特理工大学的一个团队报告，他们也成功构建了 Floquet 时间晶体——不是在量子处理器中，而是使用钻石中碳原子核的自旋。这一系统比使用谷歌量子处理器实现的时间晶体尺寸更小。

目前尚不清楚 Floquet 时间晶体是否具有实际用途。但其稳定性对 Moessner 来说似乎充满了希望，“这么稳定的东西是很不寻常的，而特殊性往往让一样东西变得有用。”他说。

这一状态或许只会在概念性上发挥作用。这是平衡态以外物相的首个实例，也是最简单的例子，但研究者们怀疑更多这样的物相在物理上是可能的。

Nayak 认为，时间晶体揭示了关于时间本质的深刻意义。他说，在物理学中，通常“无论你多么努力地将时间视为（与空间并列的，译者注）另一个维度，它总是与众不同的。”爱因斯坦做出了最好的统一化尝试，将三维空间与时间共同编织为一个四维结构：时空。但即使在他的理论中，单向的时间维度也是独特的。而时间晶体的发现，Nayak 说，“是我所知的第一个案例，突然说明时间或许只是众多维度中平平无奇的一个。”

不过 Chalker 认为，时间仍然是独立于空间以外的。他说，Wilczek 的时间晶体才能表明时间和空间的真正统一。空间晶体处于平衡态，与之对应的特征是连续空间平移对称性的破缺。而对时间维度而言，只有离散的时间平移对称性才能被时间晶体打破，这恰恰从一个新的角度说明了时间维度与空间维度之间的不同。

在量子计算机创造的可能性的驱动下，这些讨论将继续进行。凝聚态物理学家过去常常关注自然界的各种物相，而现在，Chalker 说，“我们的注意力不再局限于大自然赋予我们的东西”，而是开始构想量子力学允许的更广泛的奇异物质形式。

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/