谷歌用量子计算机创造出毫秒级的时间晶体

日前，谷歌研究人员利用Sycamore量子计算机创造出毫秒级的时间晶体。研究人员表示，这种新物相突破了现行物理学，或将大幅提高计算机处理能力。如果一切顺利的话，量子计算领域有望迎来新突破。时间晶体听起来就像科幻电影里的玄妙概念，可以打开通往不同宇宙的通道。漫威电影中的“时间石”就能够控制过去、现在和未来。

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虽然这仍是一个幻想，但科学家们多年来已经成功在微观尺度上创造出时间晶体。这并不能驱动星际飞船，而是有望为超强大的量子计算机提供能量。

“时间晶体就像是建造量子计算机道路上的一个休息站，”加州大学伯克利分校分子物理学家姚颖(Norman Yao)说。

谷歌声称，其已经与斯坦福大学和普林斯顿大学的物理学家合作开发出一种“可扩展方法”，能够利用公司的Sycamore量子计算机来创造时间晶体。

上个月，这个由100名科学家组成的研究团队在研究共享平台Arxiv.org上发表了一篇论文，详细描述他们用20个量子位元组成的阵列创造出时间晶体。根据这篇论文的说法，科学家在实验中应用让量子位元上下自旋的算法，从而产生一个可以持续“无限长时间”的可控系统。

时间晶体由空间中的原子在时间上以重复模式排列而成。这种设计使它们能够能量守恒的情况下随时间演化。由于整个时间晶体的持续演化，因此也不需要太多能量输入就能维持自身的稳定性。这种新物相可能对原本依赖极其脆弱量子位元的量子计算机有用。

目前量子计算机中的量子位元容易出错，也非常脆弱，研究人员很难对其进行控制和干预。姚颖则表示，时间晶体可能会引入一种维持量子计算的更好方法。

此外，这项工作所涉及的领域也是物理学家长期以来希望取得突破的领域。

“结果将是惊人的：你打破了热力学第二定律，”这篇论文的合著者罗德里希·莫斯纳(Roderich Moessner)说道。

2012年，诺贝尔奖得主物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）最早提出了时间晶体的概念，他起初怀疑原子能否可以像普通晶体中那样在时间轴上以重复模式排列。

从本质上讲，威尔切克是想知道一个封闭系统是否能够以重复方式旋转、振荡或运动。多年来，世界各地的研究人员或多或少在验证威尔切克的观点。

随着时间推移，时间晶体的定义扩大到包括受震动、搅拌或激光轰击等外部影响而激活的物体。

威尔切克说，“这个定义并不确定。但如果你想称它为一种新的物质状态，你会希望它是自发进行的，而不是受到外部影响。”

早期的验证实验用激光泵送离子，使其人为发生振荡。威尔切克补充说，这种方法有用，但难以扩展和复现。

到2017年，哈佛大学和马里兰大学的科学家们透露，他们在低温实验室中创造出微观尺度的时间晶体。最近，荷兰代尔夫特理工大学一个研究团队也公布了他们利用钻石构建时间晶体的方法。

科学家们说，大可以把时间晶体想象成能打破热力学第二定律的永动机。时间晶体也是第一种自发打破“时间平移对称性”的东西。

威尔切克称，虽然谷歌研究工作只创造出毫秒级的时间晶体，但是这项研究看起来很有希望。他补充说，假设一旦硬件更先进，由此产生的时间晶体将能够持续更长时间。

“没有什么是永恒的，即使是钻石中的质子最终也会衰变，”威尔切克说。“如果你能制造出一种可以持续数百万次或数千次周期的时间晶体，就能支持对环境敏感的技术。即使它并不完美，你也可以做很多事情。”

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