近日，澳大利亞物理學(xué)家設(shè)計出迄今為止最大的時間晶體，該時間晶體由57個量子比特組成，比2021年谷歌科學(xué)家模擬的20個量子比特的時間晶體大一倍多。相關(guān)研究結(jié)果2022年3月2日發(fā)表于《科學(xué)進展》。

未參與該研究的微軟凝聚態(tài)物理學(xué)家Chetan Nayak表示，這項工作顯示了量子計算機模擬復(fù)雜系統(tǒng)的能力，使這些系統(tǒng)不只存在于物理學(xué)家的理論中。

時間晶體的概念最早出現(xiàn)在10年前，由諾貝爾物理學(xué)獎得主、麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家Frank Wilczek最先提出。Wilczek表示，時間晶體經(jīng)歷周期性運動，每隔一段時間就會回到最初的形態(tài)，并能自發(fā)打破時間平移對稱性。也就是說，它可以隨著時間改變，但是會持續(xù)回到開始時的相同形態(tài)，如同鐘表的指針周期性地回到原始位置。

時間晶體是一種量子粒子系統(tǒng)，被鎖在一段永恒的時間循環(huán)中。

墨爾本大學(xué)理論物理學(xué)家Philipp Frey和Stephan Rachel通過使用IBM量子計算機遠程模擬，進行量子比特演示。他們可以同時將量子比特設(shè)置為0和1或1和0，并通過編程使它們像磁鐵一樣相互作用。

在它們相互作用的某些設(shè)置中，研究人員發(fā)現(xiàn)，57個量子比特的任何初始設(shè)置都保持穩(wěn)定——每兩個脈沖就會回到原始狀態(tài)。

乍一看，這一觀點似乎有點平淡無奇。畢竟，如果磁鐵沒有相互作用，脈沖也會使它們翻轉(zhuǎn)180°，并產(chǎn)生一樣的半頻響應(yīng)。哈佛大學(xué)凝聚態(tài)理論學(xué)家Dominic Else解釋，是磁鐵之間的相互作用讓這種結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，使該系統(tǒng)成為時間晶體，并使得這個系統(tǒng)不受一些“缺陷”的影響，例如在脈沖不夠長的情況下，也能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。

但是，只提高量子位相互作用的力度是不夠的。Rachel解釋，相鄰兩個量子位間的相互作用必須隨機變化。比如，如果所有“磁鐵”相互作用都一樣強，那么有一個“磁鐵”出了問題，就可能導(dǎo)致鏈條上的其他“磁鐵”出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)錯誤。“正是這種隨機性阻止了錯誤的傳播，并穩(wěn)定了時間晶體?！盧achel說。

Rachel認為，該模擬并不完美。按理說，這種翻轉(zhuǎn)模式能無限持續(xù)下去，但IBM量子計算機的量子比特大概只能讓該結(jié)構(gòu)保持50次穩(wěn)定循環(huán)。時間晶體最終可能被用來儲存一串量子位元的狀態(tài)，成為量子計算機的一種存儲方式，但要實現(xiàn)這項突破，還需要花費大量時間。