什么是“时间晶体”?量子计算机怎么计算?

时间晶体的概念,对应空间里的晶体,也就是物理和化学中所说的晶体。 物理和化学中所说的晶体,是以固定结构在三维空间里周期性的排列形成的,比如氯化钠的是面心立方晶格、金属钠是体心立方晶格等。

100多位物理学家联手用谷歌的量子计算机制造出了时间晶体,挑战了热力学第二定律。

其实,这个研究成果和普通人的生活几乎毫无关联,是一个理论性极强的实验。只不过在物理学界产生了足够大的轰动,波及到了公众视野中。

什么是“时间晶体”?

要理解这条新闻,需要先搞清楚什么是“时间晶体”。这个概念是2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)提出来的。

虽然这位物理学家比不上杨振宁、费曼,甚至连威腾(Edward Witten)的地位也不如,但他从获奖后到今天的所作所为,反而更像是一个20世纪初的物理学家。他投入精力的活动全都是自发的,比如兴致勃勃的给MIT本科生讲基础物理,这点就和杨振宁先生很像,而一般这个级别的物理学家是不会做这样的事情的。之后,他还投入了大量精力,写了很多优秀科普著作和侦探小说。

时间晶体的概念,对应空间里的晶体,也就是物理和化学中所说的晶体。

物理和化学中所说的晶体,是以固定结构在三维空间里周期性的排列形成的,比如氯化钠的是面心立方晶格、金属钠是体心立方晶格等。正因为排布得是如此的规律,所以研究起来才更方便,更容易使用数学工具分析、预测结构的生产与变化。也因此,物理学家对晶体物质的了解远比对非晶体物质多得多。

如果原子可以在空间上可以周期性的排列形成晶体,那可不可以找到一种在时间上呈现周期性排列的物质呢?如果有的话,那不就可以称之为“时间晶体”了吗?而什么又叫做“时间上呈现周期性排列”呢?举一个形象但不太恰当的例子——钟摆就有点儿像时间晶体。那个摆锤在上一时刻在左,下一时刻在右,摆锤就随着时间序列,左-右、左-右这样排布下去。时间晶体就有点像这个摆锤。

你可能想,这样的例子不是多得是嘛?比如一个来回伸缩的弹簧,或者一块物质在不同温度下形成不同的分子结构,然后在两个温度间来回切换,物质不就会不断的变来变去吗?这难道都应该算时间晶体吗?

不。维尔切克还有一个要求——这种物质在时间上呈现的周期性,是不能靠外界能量输入形成,而必须是由自身属性形成的。就像氯化钠之所以是晶体,并不是依靠外界有个神秘之手把每个钠原子和氯原子人为的摆放在正确位置上,让它们呈现周期性排布,一旦上帝之手不再了,结构马上崩溃了。时间晶体不是这样的,而是在结晶过程中自发形成了周期性排布的结构,并且稳定在这个状态上。

你看钟表的摆锤,有游丝给它输入能量,还有弹簧凭借外界压力给它输入能量,所以它们就不是时间晶体。事实上,同分异构体的物质都是由外界热量的进出导致改变,所以以上一切例子都不是时间晶体。但维尔切克在计算中证明,确实存在这样一种东西,只不过还没有找到。

在维尔切克提出这个概念后,物理学界有过强烈的反对。因为他们都认为,原子排布随时间周期性的切换不难,但要在没有外部能量输入的情况下切换,这就违反了热力学第二定律,所以是不可能的。

热力学第二定律在这个系统里表现的出的矛盾,体现在熵上。根据热力学第二定律,一个孤立系统的熵总会不断增大。熵代表着原子排布的有序程度。如果晶体结构有A和B两个状态,那两者必然不相等,一个大一个小。进一步的,如果已经从小过渡到大了,因为它是没有外界能量输入的,所以是不可能再自发的由大过渡到小的。这就是反对意见。

不过后来在实验中,科学家还是发现了时间晶体。

这个概念中的东西第一次在实验中被验证出来是2016年,加州大学和马里兰大学都分别做出了一种在苛刻条件下可以成立的时间晶体。

他们是这样做的:

用一个固定频率的激光激发一串平行排列的原子,比如马里兰大学使用了10个镱原子。这时,原子会在激光的激发下振动起来,而且频率是稳定的。到这一步,并没有任何新鲜的,并不能说明时间晶体存在。关键的一点是,只要找准那串原子的某一种特殊的初始状态,在这个状态下,用激光激发它,让原子振动起来以后,再然后改变激光的频率,这串原子的振动频率居然能维持不变。

这就很奇怪了。按说在激光频率改变了以后,原子随之产生的振动也会消失。但现在原子振动不会消失,而是一直稳定振动,不受外界那个随机的激光信号的干扰了。这就像传统意义上氯化钠晶体那样,不受外界的干扰,自己就可以保持稳定的钠原子和氯原子在三维空间里的周期性排布。

不过,虽然在2016年两个团队就找到了时间晶体的例子,但它不是随便出现的,而是对那串原子的初始状态有很严格的要求。而这次使用谷歌量子计算机来实现的时间晶体就没有这么苛刻。

量子计算机怎么计算?

量子计算机是用特殊的方法控制若干个处于量子叠加态的原子,也叫作“量子”,通过指定的量子态来实现计算的。能指定某个量子处于某个状态,需要在接近绝零度的低温下才能实现,否则热运动就会破坏量子的当前状态。而量子计算机的这些物理指标,特别适合用来模拟时间晶体。虽然这个晶体依然很小。

具体到这个实验:

谷歌的悬铃木量子计算机使用了20个量子,利用给量子计算机编程的方法调控它们的量子态,也就是自旋方向为0还是1。这样就可以很好地控制这块晶体的初始状态。然后,也是使用微波激发它们,结果在某些初始状态下,它们就会呈现出时间晶体的特质,而且只要出现了时间晶体特质之后,微波的参数即便在很大范围内变化,时间晶体都能维持自身的状态。

这项成果的意义

这个成果有什么用处呢?

首先,热力学第二定律是不是真的被打破了,这还不好说。只能说在一种新的应用场合下,它对热力学第二定律提出了挑战。后续很多物理学家还会针对驱动它成为时间晶体的激光,还有系统的热平衡状态做更仔细的分析。如果真的可以打破热力学第二定律,也就意味着,人类认识和操控能量的手段扩展了一大块。

其次,我们也可以看到一个优势。一直以来,量子存储和量子计算机中经常遇到的困扰,就是量子计算机里存储的内容是很不容易读取的。因为读取它会造成扰动,这本质上是因为量子态在被观察的时候和不被观察的时候会呈现不同结果。

所以量子计算读取存储的结果时,不能直接读,而是需要其他手段防止干扰,比如说使用多次计算,然后采用统计的方式反推量子计算的结果是什么。但如果可以把时间晶体的特性利用上,说不定直接读取结果就是可能的了。这能简化量子计算机的设计和大大增加它的计算速度。

好,这就是今天的科技参考。我是卓克,我们明天再见。

 划重点

1. 时间晶体是指在时间上呈现周期性排列的物质,而且这种周期性是由物质自身的属性形成的,而不依靠外界能量输入。

2. 量子计算机是用特殊的方法控制若干个处于量子叠加态的原子,也叫作“量子”,通过指定的量子态来实现计算的。

3. 谷歌量子计算机制造的时间晶体,对热力学第二定律提出了挑战,也对简化量子计算机的设计、增加计算速度提供了新思路。

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