物理学家说，他们第一次使用谷歌的量子计算机演示了一种时间晶体，它可以在状态之间永远循环而不消耗能量

在周四晚上在线发布的预印本中，谷歌的研究人员与斯坦福大学、普林斯顿大学和其他大学的物理学家合作表示，他们首次使用谷歌的量子计算机展示了真正的“时间晶体”。物理学家多年来一直努力实现的一个新的物质阶段，时间晶体是一种物体，它的部分以有规律的、重复的循环运动，在不燃烧任何能量的情况下维持这种不断变化。 “结果是惊人的：你逃避了热力学第二定律，”合著者、德国德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所所长 Roderich Moessner 说。这就是说无序总是会增加的定律。时间晶体也是第一个自发打破“时间平移对称性”的物体，这是一个稳定的物体在整个时间里保持不变的通常规则。时间水晶既稳定又不断变化，特殊时刻以周期性的时间间隔出现。时间晶体是物质相的新类别，扩展了相的定义。所有其他已知相，如水或冰，都处于热平衡状态：它们的组成原子已经进入环境温度允许的最低能量状态，并且它们的特性不随时间变化。时间晶体是第一个“失衡”相：尽管处于激发和演化状态，但它具有有序和完美的稳定性。 “这就是我们现在正在研究的一个全新且令人兴奋的空间，”现任职斯坦福大学的凝聚态物理学家 Vedika Khemani 说，她在研究生期间共同发现了新相，并与他人合着了这篇新论文。 .普林斯顿大学的 Khemani、Moessner、Shivaji Sondhi 和英国拉夫堡大学的 Achilleas Lazarides 于 2015 年发现了该相的可能性并描述了其关键特性；不久之后，由微软 Q 站的 Chetan Nayak 和加州大学圣巴巴拉分校领导的一组竞争物理学家将其确定为时间晶体。

在过去的五年里，研究人员竞相创造时间水晶，但之前的演示虽然按他们自己的条件取得了成功，但未能满足确定时间水晶存在所需的所有标准。 “有充分的理由认为，这些实验都没有完全成功，像 [Google 的] 这样的量子计算机将特别适合比那些早期的实验做得更好，”美国大学凝聚态物理学家约翰查尔克说。没有参与这项新工作的牛津。谷歌的量子计算团队在 2019 年首次进行了普通计算机在实际时间内无法完成的计算，从而成为头条新闻。然而，该任务是为了显示加速而设计的，并没有内在的兴趣。新的时间晶体演示标志着量子计算机第一次找到了有报酬的工作。 “这是对 [Google] 处理器的绝妙使用，”Nayak 说。凭借今天已提交出版的预印本和其他近期成果，研究人员实现了对量子计算机的最初希望。物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 在 1982 年提出这些设备的论文中认为，它们可以用来模拟任何可以想象的量子系统的粒子。时间水晶体现了这一愿景。鉴于其微妙成分的复杂组合，它是一种自然本身可能永远不会创造的量子物体。大自然最令人费解的法则激发了想象力，创造了配方。诺贝尔奖获得者物理学家弗兰克·维尔切克 (Frank Wilczek) 于 2012 年构思了这个想法，当时他正在教授一门关于普通（空间）晶体的课程。 “如果你考虑太空中的晶体，那么考虑晶体行为的时间分类也是很自然的，”不久之后他告诉本杂志。考虑钻石，一团碳原子的结晶相。团块在空间中的任何地方都由相同的方程控制，但它采用具有周期性空间变化的形式，原子位于晶格点。物理学家说它“自发地打破了空间平移对称性”。只有最小能量平衡状态才会以这种方式自发地打破空间对称性。

Wilczek 设想了一个平衡的多部分物体，很像钻石。但是这个物体打破了时间平移对称性：它经历了周期性运动，以规则的间隔返回到它的初始配置。 Wilczek 提出的时间晶体与挂钟等也有很大的不同——挂钟是一个也经历周期性运动的物体。时钟指针消耗能量并在电池耗尽时停止。 Wilczekian 时间晶体不需要输入并无限期地继续，因为系统处于超稳定平衡状态。如果这听起来难以置信，那就是：在经历了很多激动和争议之后，2014 年的一项证明表明，威尔切克的处方失败了，就像历史上设想的所有其他永动机一样。那一年，普林斯顿的研究人员正在考虑其他事情。 Khemani 和她的博士导师 Sondhi 正在研究多体定位，这是安德森定位的延伸，这是 1958 年诺贝尔奖获得者发现电子可以卡在原地，就像在崎岖景观的缝隙中一样。一个电子最好被描绘成一个波，它在不同地方的高度给出了在那里检测到粒子的可能性。随着时间的推移，波浪自然地扩散开来。但是菲利普·安德森发现随机性——例如晶格中随机缺陷的存在——会导致电子波分裂，破坏性地干扰自身，并在除小区域之外的任何地方抵消。粒子定位。几十年来，人们一直认为多个粒子之间的相互作用会破坏干扰效应。但在 2005 年，普林斯顿大学和哥伦比亚大学的三位物理学家表明，一维量子粒子链可以经历多体局域化；也就是说，他们都陷入了一个固定的状态。这种现象将成为时间晶体的第一个成分。想象一排粒子，每个粒子都有一个向上、向下或两个方向都有可能指向的磁性方向（或“自旋”）。想象一下，最初的四次旋转最初指向上、下、下和上。如果可以的话，自旋将在量子力学上波动并快速对齐。但是它们之间的随机干扰会导致这排粒子卡在它们的特定配置中，无法重新排列或进入热平衡。他们会无限期地向上、向下、向下和向上。

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，这将成为时间晶体的第二个关键要素：如果你翻转系统中的所有自旋（向下、向上、向上和向下）在我们的示例中），您将获得另一个稳定的多体本地化状态。 2014 年秋季，Khemani 在德累斯顿马克斯普朗克研究所休假加入 Sondhi。在那里，Moessner 和 Lazarides 专门研究所谓的 Floquet 系统：周期性驱动的系统，例如用特定频率的激光刺激晶体。激光的强度以及其对系统的影响强度会周期性地变化。 Moessner、Lazarides、Sondhi 和 Khemani 研究了以这种方式周期性驱动多体局部系统时会发生什么。他们在计算和模拟中发现，当你用激光以特定方式刺激局部自旋链时，它们会来回翻转，在两个不同的多体局部状态之间永远重复循环，而不会吸收任何净能量从激光。他们将他们的发现称为 pi 自旋玻璃相（其中角度 pi 表示 180 度翻转）。该小组在 2015 年的预印本中报告了这一新物质相的概念——有史以来发现的第一个多体、非平衡相，但“时间晶体”一词并未出现在其中。作者在 2016 年 6 月发表在《物理评论快报》上的更新版本中添加了该术语，感谢审稿人在致谢中建立了他们的 pi 自旋玻璃相和时间晶体之间的联系。在预印本的出现和出版之间还发生了其他事情：Nayak 是 Wilczek 的前研究生，他的合作者 Dominic Else 和 Bela Bauer 在 2016 年 3 月发布了一份预印本，提议存在称为 Floquet 时间晶体的物体。他们以 Khemani 和公司的 pi 自旋玻璃相为例。 Floquet 时间晶体表现出 Wilczek 设想的那种行为，但仅限于由外部能源定期驱动。这种时间晶体从不声称处于热平衡状态，从而避免了 Wilczek 最初想法的失败。因为它是一个多体局域系统，它的自旋或其他部分无法达到平衡；他们被困在原地。但该系统也不会升温，尽管被激光或其他驱动器泵浦。相反，它在局部状态之间无限期地来回循环。激光已经打破了自旋行所有时刻之间的对称性，取而代之的是“离散时间平移对称性”——也就是说，只有在激光的每个周期循环之后才有相同​​的条件。但是，通过它的来回翻转，自旋行进一步打破了激光强加的离散时间平移对称性，因为它自己的周期是激光的倍数。

Khemani 和合著者详细描述了这个阶段，但 Nayak 的团队用时间、对称性和自发对称性破坏的语言来描述它——所有物理学中的基本概念。除了提供更性感的术语外，他们还提供了新的理解方面，并且他们稍微概括了 pi 自旋玻璃相之外的 Floquet 时间晶体的概念（注意它不需要一定的对称性）。他们的论文于 2016 年 8 月发表在《物理评论快报》上，两个月后 Khemani 和公司发表了该阶段第一个例子的理论发现。两个团体都声称已经发现了这个想法。从那时起，竞争对手的研究人员和其他人开始竞相创造现实中的时间水晶。 Nayak 的团队与马里兰大学的 Chris Monroe 合作，后者使用电磁场来捕获和控制离子。上个月，该小组在《科学》杂志上报道说，他们将被捕获的离子变成了近似的或“预热”时间晶体。它的周期性变化（在这种情况下，离子在两种状态之间跳跃）实际上与真正的时间晶体无法区分。但与钻石不同的是，这种预热时间晶体不是永远的。如果实验运行的时间足够长，系统会逐渐平衡，循环行为就会崩溃。 Khemani、Sondhi、Moessner 和合作者在别处搭上了他们的马车。 2019 年，谷歌宣布其 Sycamore 量子计算机在 200 秒内完成了一项任务，而传统计算机需要 10,000 年。 （其他研究人员后来描述了一种大大加快普通计算机计算速度的方法。）在阅读公告文件时，Moessner 说，他和他的同事们意识到“Sycamore 处理器包含我们需要实现的基本构建块作为其基本构建块。 Floquet时间水晶。”偶然地，Sycamore 的开发人员也在寻找与他们的机器有关的东西，这台机器太容易出错，无法运行专为成熟的量子计算机设计的密码学和搜索算法。当 Khemani 和同事联系到 Google 的理论家 Kostya Kechedzhi 时，他和他的团队很快同意在时间水晶项目上进行合作。 “我的工作，不仅是离散时间晶体，还有其他项目，是尝试将我们的处理器用作研究新物理或化学的科学工具，”Kechedzhi 说。