第三類永動機成真了:Google量子計算機成功構造時間晶體

2021年08月09日10:50

  來源科研圈 ,作者Quanta Magazine

  導語/ Introduction

  時間晶體永遠在不同狀態之間循環,而不消耗能量。諾貝爾物理學獎獲得者弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)在2012年最先構思了這種物質的存在。時間晶體屬於第三類永動機,即依靠慣性保持運動,不受摩擦力等其他耗散力影響的機械系統。但因為機械系統的能量耗散無法避免,這類永動機被認為不可能存在。但是最近,一個物理學家團隊宣佈在Google量子計算機中成功構造了物質的時間晶體相。

  7月29日,Google的研究者與美國斯坦福大學、普林斯頓大學和其他大學的物理學家團隊在一篇預印本論文中宣佈,他們使用Google的量子計算機實現了真正的“時間晶體”(time crystal)。而在7月早些時候,另一個研究團隊也宣稱在鑽石中創建了一種時間晶體。

  物理學家致力於實現時間晶體已有多年。時間晶體是一種物質相,其組成成分有規律地重複循環運動,其不斷變化卻不消耗任何能量。

  “時間晶體理論出乎物理學家預料:它似乎違反了熱力學第二定律,”德國馬克斯·普朗克複雜系統物理研究所主席、Google論文的合著者Roderich Moessner說。根據熱力學第二定律,系統的無序性總會增加。

  時間對稱性(time-translation symmetry)是穩定物體在時間上保持不變的一般規律,時間晶體是首個出現“時間對稱性自發破缺(spontaneous break)”的物質。時間晶體既穩定,又不斷變化,以週期性的間隔重現特定狀態*。

  根據諾特定理(Noether Theorem),時間連續對稱性對應能量守恒。能量隨時間不變的系統應具有時間連續對稱性。而時間晶體沒有連續的時間對稱性,具有離散的時間對稱性,即週期性。

時間晶體能在兩個狀態之間來回切換,而不消耗能量。

  時間晶體是一類新的物質的相(phase),它擴展了相的定義。已知的所有物相,如液相(水)或固相(冰),都處於熱力學平衡態(thermal equilibrium):組成這些系統的原子處於環境溫度所允許的最低能量狀態,並且它們的特性並不隨時間變化。時間晶體是首個“失去平衡”的物相:儘管處於能量更高的激發態,隨著時間不斷演化,卻具有完美的有序性和穩定性。

  “我們正是在這個激動人心的新領域展開研究。”在研究生階段與參與了Google團隊研究的合著者、現任職於斯坦福大學的凝聚態物理學家Vedika Khemi說。

  普林斯頓大學的Khemani、Moessner、Shivaji Sondhi和英國拉夫堡大學的Achilleas Lazarides於2015年發現了這一物相存在的可能,並描述了其關鍵特性;不久後,一個由微軟Station Q的Chetan Nayak和加州大學聖芭芭拉分校領導的團隊將其稱為“時間晶體”。這一概念由諾貝爾獎獲得者、物理學家弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)在2012年首次提出。

  在過去的五年里,研究人員競相嚐試在實驗室中創造時間晶體。一些團隊取得了初步成就,儘管達到了自定的要求,但並不符合確認時間晶體存在所需的全部標準。“有理由認為這些實驗並未完全成功。而相比那些早期研究,像Google這樣的量子計算機更適合用來完成這一實驗,”未參與這項新研究的牛津大學凝聚態物理學家John Chalker說。

用於存放Google量子處理器的低溫恒溫器。

  2019年,Google量子計算團隊宣佈首次執行了一項普通計算機無法以有意義的耗時完成的計算任務,引發了關注。然而這一任務是為了顯示量子計算機的速度優勢而設計的,本身並沒有太大實際意義。現在,對時間晶體的全新演示標誌著量子計算機的第一項有回報的工作。

  “這是Google量子計算機的絕妙應用。”Nayak說。

  7月29日的預印本已經向期刊投稿。該研究和近期其他成果表明,研究人員最初寄予量子計算機的厚望終於實現。1982年,物理學家理查德·費曼(Richard Feynmann)在他提出量子計算機構想的論文中認為,量子計算機能夠用來模擬人們能夠想到的任何量子系統中的粒子。

  時間晶體實現了這一願景。由於其精妙的組成,自然本身或許永遠無法創造出這樣的量子物體。是想像力構建了它的“配方”,而大自然最令人費解的規律將“原料”融為一體。

  不可能的想法重獲新生

  時間晶體最初的概念存在一個致命缺陷。

  諾貝爾獎獲得者、物理學家Frank Wilczek在2012年教授一門關於一般晶體(空間晶體)的課程時提出了這一構思。“如果我們對空間上的晶體進行思考,那麼考慮時間上的晶體這一分類也是自然而然的事情,”在那之後不久,他這樣告訴Quanta Mazagine*。

  物理學上的晶體指具有離散的空間平移對稱性(週期性重複)的點陣。在時間維度上具有類似性質的就是時間晶體。

  考慮一塊鑽石,它是一團碳原子的結晶相。這團碳原子在任何空間位置都受到同一方程的約束,因此其形式呈現出空間週期性的變化,原子位於空間晶格的格點。物理學家稱之為“空間平移對稱性的自發破缺”。只有最低能量的平衡態才會以這一方式打破空間對稱性。

  Wilczek設想了一個平衡的多部分系統,類似於鑽石。但這一結構打破的是時間平移對稱性:它進行週期性的運動,以規則的間隔回到初始的配置狀態。

  Wilczek提出的時間晶體與擺鍾(也是進行週期性運動的物體)截然不同。鍾擺消耗能量,並最終在能量耗盡時停下。但Wilczek的時間晶體處於超穩定的平衡態(ultra-stable equilibrium state),不需要能量輸入,就能無期限地持續下去。

  這看起來不可情理,實際上也確實不合情理:在轟動與爭議之後,2014年的一項研究表明,就像歷史上的眾多永動機構想一樣,Wilczek的方案失敗了。

  同年,普林斯頓的研究人員正在進行其他研究。Khemani正與她的博士導師Sondhi研究多體局域化(many-body localization,是Anderson局域化的延伸)相關的研究。Anderson局域化說明電子可以被“卡在原地”,就像卡在崎嶇地面的縫隙中一樣,這一發現贏得了1958年的諾貝爾獎。

  對電子最好的描述方式是波,根據波在不同位置的值能夠推算出在那裡檢測到粒子的概率。隨著時間演化,波會自然地擴散。但Philip Anderson發現一些隨機性(例如晶格中隨機的缺陷)會導致波的分裂,與自身產生干涉(interfere),破壞原有特性,在一個極小區域以外的地方與自身抵消。粒子由此發生局域化。

  幾十年來,人們一直認為多個粒子間的相互作用會破壞這一干涉效應*。但2005年,普林斯頓大學和哥倫比亞大學的三位物理學家的研究表明,一維的粒子鏈能夠發生多體局域化;也就是說,其中粒子都陷入了固定狀態。這一現象後來成為了時間晶體的首個要素。

  考慮一排粒子,其中每個粒子都具有處於向上,向下,或兩者以某概率混合狀態的自旋(磁性朝向)。假設最初4個粒子的自選分別為上、下、下、上。若有可能,這些自旋會發生量子漲落(quantum mechanically fluctuate),並快速對齊(全部向上或全部向下)。但之間隨機的干涉可能導致這排粒子“卡在”某種特定配置中,無法重新排列,也無法進入熱力學平衡。它們會永遠處於上、下、下、上的狀態。

  Sondhi和一位合作者發現,多體局域化系統可以表現出一種特殊的秩序,這成為了時間晶體的第二個要素:如果翻轉系統中的所有自旋(如將上例中的自旋系統,變為下、上、上、下),得到的會是另一個穩定的多體局域化系統。

  在2014年的秋天,Khemani作為訪問學者,加入了位於德累斯頓的馬普所的Sondhi團隊。Moessner和 Lazarides在那裡專門研究Floquet系統,即受週期性驅動的系統,例如特定頻率激光激發的晶體。激光的強度週期性變化,其對系統的影響效應也會週期性變化。

  Moessner、Lazarides、Sondhi和Khemani研究了多體局域化系統在這種週期性驅動下的行為。他們在計算和模擬中發現,當使用激光以特定方式激發局域化自旋鏈時,自旋系統會來回翻轉,持續在兩個不同的多體局域化狀態之間循環,而不從激光中吸收任何淨能量。

  他們將這一發現稱為pi自旋玻璃相(pi表示180°翻轉)。團隊在2015年的預印本論文中報告了這種新物相的概念——這是有史以來被發現的第一個多體非平衡相,但“時間晶體”一詞並未出現在論文中。該研究於 2016年發表在《物理評論快報》(PRL)上,作者們在更新版本中添加了這一術語,並向將pi自旋玻璃相與時間晶體聯繫起來的審稿人致謝。

  在預印本發佈和論文出版之間還發生了許多事情:Wilczek之前的研究生Nayak和合作者Dominic Else和 Bela Bauer在2016年3月發佈了一篇預印本論文,提出存在被稱為Floquet時間晶體的物質。他們以Khenami 和同事的pi自旋玻璃相為例作了說明。

  Floquet時間晶體表現出與Wilzcek設想相同的行為,但僅限於受外部能源週期性驅動的情形。不過這一發現並未宣稱時間晶體處於熱力學平衡態,因此並不違反 Wilczek最初的設想。由於它是一個多體局域化系統,其自旋或其他部分都無法達到平衡態;它們被“困在原地”。但儘管被激光或其他能源驅動,該系統也並不升溫。相反地,它在局域化狀態之間無限地來回循環。

斯坦福大學的凝聚態物理學家 Vedika Khemani 在 2015 年讀研究生時與三位合著者構想了最近實現的時間晶體。

  激光已經打破了一維自旋鏈在時間上的連續對稱性,“離散的時間平移對稱性”(discrete time-translation symmetry)取而代之——也就是說,相同的條件僅在激光的每個循環週期結束後才會出現。而自旋的來回翻轉進一步破壞了激光施加的離散時間平移對稱性——其週期時激光週期的數倍。

  Khemani與合著者詳細地表徵了這一物相,而Nayak團隊使用時間、對稱性和自發對稱破缺這些物理學中的基本概念對其進行了描述。除了提供更有吸引力的名詞外,他們還提出了新的理解角度,並對pi自旋玻璃相以外的Floquet時間晶體概念(並不一定需要對稱性)進行了概括。他們的論文於2016年8月發表在《物理評論快報》(PRL)上,兩個月後,Khemani和公司發表了首個這一物相案例的理論發現。

  兩個團隊都聲稱自己發現了這一概念。自此,這些互相競爭的研究者和其他人一起,開始競相嚐試創造實際的時間晶體。

  完美的平台

  Nayak的團隊與馬里蘭大學的Chris Monroe展開了合作,後者使用電磁場對離子進行捕獲和操控。該小組一個月前在《科學》(Science)上報告,他們成功將捕獲的粒子轉變為了近似的,或“預熱”(prethermal)的時間晶體。其週期性變化(離子在兩種狀態間躍遷)與真正的時間晶體無法實際區分。但與鑽石不同,這種“預熱”時間晶體並不是永恒的。只要實驗運行的時間足夠長,系統就會逐漸趨於平衡,循環行為最終會崩潰。

  Khemani、Sondhi、Moessner和合作者搭上了另一趟順風車。2019年,Google宣佈其“懸鈴木”(Sycamore)量子計算機在200秒內完成了一項傳統計算機需要一萬年才能完成的計算任務。(後有研究表明,存在可大大縮短普通計算機完成該任務所需時間的算法。)Moessner說,他和同事在研讀Google發佈的論文時意識到,“懸鈴木計算機所包含的基本單元正是我們實現 Floquet時間晶體所需要的東西。”

  無獨有偶,懸鈴木的開發人員也在尋找與他們的量子計算其相關的任務。懸鈴木太易出錯,無法運行專為成熟的量子計算機設計的密碼學算法和搜索算法。Khemani 和同事聯繫了Google的理論研究者Kostya Kechedzhi,他很快就同意了在時間晶體項目上展開合作。“我的工作,不論是離散時間晶體研究還是其他項目,都是為了嚐試將我們的處理器用作全新物理或化學研究的工具。”Kechedzhi說。

  Quanta Magazine

  量子計算機並不會成為下一代超級計算機——它們完全不是一碼事。在我們談論它們的潛在應用之前,有必要先瞭解驅動量子計算理論的基礎物理學。來源:Emily Buder/Quanta Magazine; Chris FitzGerald and DVDP for Quanta Magazine

  量子計算機由量子位組成。量子位本質上是可操控的量子粒子,每個粒子都能同時保持兩種可能的狀態,標記為0和1。在量子位相互作用時,它們能夠共同夠成指數數量的同時可能性(即狀態空間,譯者注),從而實現計算優勢。

  Google“懸鈴木”的量子位由超導鋁條組成。每個量子位都有兩種可能的能量狀態,可編程表示為向上或向下的自旋。在演示中,Kechedzhi和合作者使用了一個具有20個量子位的芯片作為時間晶體。

  和競爭對手相比,這一計算機的主要優勢或許就體現在它能夠調整其量子位之間的相互作用強度。這種可調性是系統能夠成為時間晶體的關鍵:編程者可以隨機化量子位之間的相互作用強度,令這一隨機性在量子位之間產生破壞性的干涉,使自旋系統發生多體局域化。最終量子位被“鎖定”入特定的朝向模式,而非全部同向對齊。

  研究人員設置了任意的初始自旋配置,類似於“上、下、下、上”等。使用微波驅動能令自旋向上的量子位翻轉至自旋向下,反向亦然。通過為每個初始配置運行數萬次演示,並在每次運行的不同時間點後觀測量子位的狀態,研究者能夠觀察到自選系統在兩個多體局域化狀態間來回翻轉。

  相的標誌是極端的穩定性。即使溫度波動,冰也依然是冰。事實上,研究者發現,翻轉自旋所需的僅是一定角度範圍內的微波脈衝,小於180°。自旋在兩次脈衝後會回到特定的初始方向,就像小船自行扶正。此外,自旋系統並不會從微波激光中吸收,或向外耗散任何淨能量,這使得系統的無序度得以保持不變。

  7月5日,荷蘭代爾夫特理工大學的一個團隊報告,他們也成功構建了Floquet時間晶體——不是在量子處理器中,而是使用鑽石中碳原子核的自旋。這一系統比使用Google量子處理器實現的時間晶體尺寸更小。

  目前尚不清楚Floquet時間晶體是否具有實際用途。但其穩定性對Moessner來說似乎充滿了希望,“這麼穩定的東西是很不尋常的,而特殊性往往讓一樣東西變得有用。”他說。

  這一狀態或許只會在概念性上發揮作用。這是平衡態以外物相的首個實例,也是最簡單的例子,但研究者們懷疑更多這樣的物相在物理上是可能的。

  Nayak認為,時間晶體揭示了關於時間本質的深刻意義。他說,在物理學中,通常“無論你多麼努力地將時間視為(與空間並列的,譯者注)另一個維度,它總是與眾不同的。”愛因斯坦做出了最好的統一化嚐試,將三維空間與時間共同編織為一個四維結構:時空。但即使在他的理論中,單向的時間維度也是獨特的。而時間晶體的發現,Nayak說,“是我所知的第一個案例,突然說明時間或許只是眾多維度中平平無奇的一個。”

  不過Chalker認為,時間仍然是獨立於空間以外的。他說,Wilczek的時間晶體才能表明時間和空間的真正統一。空間晶體處於平衡態,與之對應的特徵是連續空間平移對稱性的破缺。而對時間維度而言,只有離散的時間平移對稱性才能被時間晶體打破,這恰恰從一個新的角度說明了時間維度與空間維度之間的不同。

  在量子計算機創造的可能性的驅動下,這些討論將繼續進行。凝聚態物理學家過去常常關注自然界的各種物相,而現在,Chalker說,“我們的注意力不再局限於大自然賦予我們的東西”,而是開始構想量子力學允許的更廣泛的奇異物質形式。

  撰文:Natalie Wolchover | 封面:Kyle Fewell

  翻譯:武大可 |編輯:戚譯引 | 排版:光影

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