量子计算机带来的变革,量子晶体未来预言

研究人员最近利用量子计算机创造出了一种全新物态——时间晶体。这些时间晶体在谷歌的Sycamore芯片中创造而成，保存在量子低温恒温器中。

时间晶体可以在两种状态之间永远循环下去，而不损失任何能量，因此成功回避了最重要的物理学定义之一——热力学第二定律。该定律指出，一个孤立系统的无序性（即“熵”）必定永远处于递增状态。而这种神奇的时间晶体则可以始终维持稳定，尽管一直处于变化之中，但不会解散为随机状态。

据今年7月28日发表在预印数据库arXiv上的一篇论文介绍，科学家利用量子比特（即传统计算机比特的量子计算机版本），在谷歌Sycamore量子处理器核心中创造出了时间晶体，存续时间约为100秒。

这种奇特的新物态、以及它所展现的物理行为，令科学家感到激动不已，更何况仅仅九年前、人们才刚刚预言了时间晶体的存在。

在物理学家看来，时间晶体是一种非常神奇的物质，因为它们不受热力学第二定律的约束，而这可是物理学最牢不可破的定律之一。该定律指出，熵永远处于递增状态。要想提高有序性，就必须增加能量才行。

这种始终朝无序发展的倾向可以解释很多现象，例如为何将配料混合在一起很容易、但将混合物分开就很困难，或者口袋里的耳机线为何总是绕成一团。该定律也决定了时间箭头的方向：过去的宇宙永远比目前的宇宙更加有序。例如，如果将电影倒放，看起来就很诡异，因为这种熵的流动方向是与你的直觉相违背的。

但时间晶体并不遵循这一定律。它并不会逐渐达到热平衡状态（即能量或温度在其周围均匀分布），而是会卡在两种处于热平衡之上的能态之间，并且在这两种状态之间无限来回切换。

为了解释这种现象有多么异乎寻常，我们来举一个例子：假设有一个密闭的盒子，里面装满了硬币，然后被摇晃一百万次。随着这些硬币在盒子里来回弹跳，它们会“变得越来越混乱，把所有可能的排列方式都经历一遍”，直到晃动停止。打开盒子后，里面的硬币全部以随机方式排列，大约一半朝上、一半朝下。无论盒子里的硬币最初是如何摆放的，我们都可以预见到，最终它们都会呈现为这种无序的、一半朝上一半朝下的状态。

在谷歌Sycamore量子处理器这个“盒子”中，我们可以将量子比特视为刚才所说的硬币。就像硬币可能正面朝上或反面朝上一样，量子比特也可能为0或1、或者这两种状态的叠加态。时间晶体的奇异之处在于，无论“摇晃”多少次、或者在两种状态之间切换多少次，时间晶体的量子比特都无法转化为最低能态（相当于硬币的随机排列），它们只能从开始状态跳跃到第二种状态、然后再跳回来。

时间晶体最终不会呈现为随机形态，而是会困在两种状态之间。就好像它记得自己最开始的状态、然后不断重复这一规律一样。从这一角度来说，时间晶体就如同一个永不停止摇摆的摆锤。

“就算你将一个摆锤从物理上与整个宇宙完全隔绝开来，摩擦力和空气阻力均为零，它最终仍然会停止摆动，这就是热力学第二定律的结果。”英国拉夫堡大学物理学家阿西里斯·拉扎莱德斯指出，他是2015年最早发现这种新物态存在的可能性的科学家之一，“能量刚开始时集中于摆锤的质量中心，但最终总会转化为物质的内部自由度，例如摆杆内部原子的振动。”

热力学第二定律称，所有系统都会朝着无序的方向演变，即能量在空间中均匀分布。

事实上，大尺度物体永远不可能像时间晶体一样，因为唯有微观世界的主宰定律——量子力学，才能让时间晶体得以存在。

在量子世界中，物体同时具有粒子和波的双重特性，在空间中给定区域内的波幅代表了在该位置找到一个粒子的概率。但随机性（如晶体结构中的随机缺陷、或者量子比特之间相互作用强度的随机性）可能导致粒子的概率波在除了一块极小区域之外的空间内全部相互抵消。这样一来，粒子的位置就被固定住了，既无法移动、也无法改变状态、或与周边环境达到热平衡，即粒子被定域化了。

研究人员将粒子的定域过程作为自己的实验基础。他们使用了20条超导铝、作为量子比特，然后将每一条设置为两种可能状态的其中一种。接下来，他们用微波束轰炸这些超导铝条，让量子比特切换成另一种状态。研究人员将这一过程重复了数万次，并在不同的时间点暂停实验，将量子比特当时所处的状态记录下来。结果发现，所有量子比特作为一个整体、一直在两种配置之间来回切换，并且没有从微波束中吸收任何热量——时间晶体就这样诞生了。

他们还观察到了一条关键线索，证明时间晶体是一种物态。在周边环境发生变化时，物态一般都非常稳定。例如，如果周边温度只是稍有改变，固体并不会就此融化，液体也不会突然蒸发或结冰。同理，如果用来改变量子比特状态的微波束稍有变化，离180°的“完美翻转”差了一点点，量子比特依然会切换为另一种状态。

“并不是说，如果没有刚好达到180°，一切就全毁了。”拉扎莱德斯指出，“即使犯点小错误，时间晶体依然能神奇地翻转过来。”

打破物理的对称性是物态转变的另一标志。物理对称性是指，物理学定律对于处在任意时间点或空间点的同一物体都是相同的。例如，当水为液态时，水分子在每个空间位置上和每个方向上的流动都遵循相同的物理法则。但如果给水降温、使其转化为冰，分子就会组成晶体结构，并且每个分子在结构中都有自己特定的位置。在这种情况下，每个水分子在空间中除了自己选定的位置被占用之外、其它可能的位置全都空了出来，水的空间对称性也就被打破了。

就像水分子通过打破空间对称性、变为空间晶体一样，时间晶体也通过打破时间对称性形成。在它们转变为时间晶体状态之前，每一排量子比特在时间上始终是对称的。但微波束的周期将这些量子比特的恒定状态切分成了若干离散的片段（使激光施加的对称性变成了离散的时间平移对称性）。接下来，量子比特以微波束周期的两倍来回切换，结果成功打破了由激光施加的离散时间平移对称性，成为了我们所知的首个能够做到这一点的物质。

这些奇异之处意味着，围绕时间晶体或许能产生许多物理学新发现，谷歌Sycamore量子处理器也将成为进一步探索的理想平台。不过，它依然有改进的空间。就像所有量子系统一样，谷歌的量子计算机也必须与环境完全隔绝开来，防止量子比特发生“退相干”，这最终会瓦解量子定域化效应、摧毁时间晶体。研究人员还在寻找更好的处理器隔绝方法，尽量缓解量子退相干的影响，但终究无法将其彻底消除。

尽管如此，此次实验可能依然是短期内研究时间晶体的最佳途径。虽然不少项目已经成功造出了看似时间晶体的物质（利用钻石、氦-3超流体、一种名叫“磁子”的准粒子、以及玻色-爱因斯坦凝聚体），但这些晶体的分解速度太快，来不及开展详细研究。

这些晶体在理论上过于新颖，可谓有好有坏，因为物理学家目前还不清楚它们有何用武之地。不过冯·凯瑟林克提出，它们可以被用在高精度传感器中。还有人提出，这些晶体可用于提高内存、或用于制造处理速度更快的量子计算机。

不过，时间晶体最大的用处或许已经体现出来了：让科学家得以进一步探索量子力学的边界。

“它让你不仅能够研究自然界中存在的物体，还能让你亲自设计它，考察量子力学让你做什么、不让你做什么，”拉扎莱德斯指出，“如果你在自然界中找不到某样东西，并不意味着它无法存在——我们只需要自己创造一个出来就行了。”

时间的本质和熵增的原理是什么？

物理定义：熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程(Bortz, 1986; Roth, 1993)。

个人认为，熵增是伪科学，从有序向无序发展，本身就意味着打破平衡，简单理解就像是太阳、地球、月球他们所在宇宙空间的位置是无比的巧合，所以几十亿年的发展诞生了生命，试想如果，太阳、地球、月球的的位置变得无序，那么生命还能这么轻易的生存吗？所以我认为熵增意味着改变了平衡，改变范围内的平衡会导致蔓延到整个宇宙的平衡，那么届时宇宙将不复存在！

为什么爱因斯坦、牛顿等到晚年却相信神学，因为他们研究发现，这个世界之所以存在就，每一步都是巧合，像被人有意安排一样，整个宇宙都延续着这种巧合，这种巧合，就是大宇宙的有序，这种巧合也可能来源于造物主！基于此我认为熵增应该是不复存在的，时间并没有变得无序，依然有序的遵循着特殊是规律。就像《道德经》中说的：道可道，非常道；名可名，非常名

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物理学家用量子计算机造出时间晶体

2012年，诺奖得主Frank Wilczek发文表示，由于“非对称基态”的存在，可能存在基态仍能发生运动的物质，并称其为“量子时间晶体”。

随着两个独立小组的制造成功，“时间晶体”的存在基本已获确认。 那么，“时间晶体”到底是什么呢？ 其实是物理学家取了个天花乱坠的名字。 时间晶体的本质，是导体的一种新状态，它同时也是首次发现的“非平衡态物质”。 我们日常所熟知的导体，诸如金属之类，当其原子位于最低能态时，是不会发生任何运动的。因此这些物质均为“平衡态物质”，否则会违背“时间平移对称性”。

其实说白了，你可以这样理解，原来我们认识的物体或晶体是三维的，而时间晶体却是四维的，会随着时间改变，在时空中拥有一种周期性结构。

根据物理学家的观点，一个时间晶体应该是一种自然的物体，它的要素成份以一种重复性模式在运动。像万花筒一样，其中的碎片一直在循环往复地旋转形成各种美丽的图案；或者像时钟一样，其时针每12小时完成360度旋转。不过，与时钟或其他有不断运动部件的普通物体不同的是，时间晶体是在自己的永动机制的支持下实现永远运动，而这种永动机制必须要符合物理学定律。而其具体的应用我们只能拭目以待。

首个时间晶体二能级系统，将带来更好的量子计算机

量子计算有潜力解决当今经典计算机无法解决的现实问题。然而不幸的是，它很脆弱。主要受到一种叫做“退相干”的东西影响，这很像熵。时间晶体或许能够解决这一问题。

2018年5月，芬兰阿尔托大学的研究表明，时间晶体可能是制造量子计算机的关键。通过自振荡过程，时间晶体在自身内部交换电子，而不使用能量，这使得离子无论经过多少时间都能够保持相干。2020年8月，在《自然·材料》杂志发表的一篇论文中，研究人员首次观察到了时间晶体的相互作用。

现在，物理学家创造了有史以来第一个时间晶体二能级(two-level)系统。

英国兰卡斯特大学物理学家Samuli Autti领导的国际研究团队成功在超流体内部制造出两个时间晶体 ，并使它们相互接触，制造出了一个遵循量子规则的耦合系统，为使用时间晶体作为量子比特运行的量子计算机奠定了基础。

该研究成果以《量子时间晶体的非线性二能级动力学》为题于6月2日发表在《自然·通讯》杂志上[1]。

长期以来，人们一直认为时间晶体并不可能实现——因为它们是由运动永无止境的“原子”制成的。

时间晶体是普通晶体的时间模拟物。

时间晶体与普通晶体相似，因为它们基于重复的原子结构；但是时间晶体的“原子”行为却略有不同：它们在时间上表现出运动的模式，而这种模式不能轻易地用外力来解释，这些振荡被锁定在有规律和特定的频率。从理论上讲，时间晶体以尽可能低的能量状态振荡，因此在很长一段时间内是稳定且相干的；因此，当时间晶体在空间和时间中重复时，会表现出永久的基态运动。

2012年，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek首次提出“时间晶体”这一理论。他提出，即使在最低能量下，原子也可能随着时间的推移而变化，就像超导体在技术上可以在最低能量状态下携带电流一样。这意味着从理论上讲，它们可以在没有能量源的情况下永远重复，像一台“永动机”；但是根据热力学定律，这种装置是不可能的。

Frank Wilczek

自Wilczek的预测以来，许多研究人员进行了实验，表明原子的行为方式可能有资格成为时间晶体。

2016年，马里兰大学、哈佛大学团队使用了加州大学伯克利分校研究人员提出的方法，正式发现和确认了时间晶体[2]：尽管没有外部输入，但这些晶体在时间上呈现出恒定、重复运动的特性，它们的原子不断地振荡、旋转，或者首先向一个方向移动，然后再向另一个方向移动。

2020年，首次实现了两个量子时间晶体的相互作用，并表明时间晶体遵循量子力学规则[3]。

此次研究成果意义重大：这是第一次，孤立的粒子群表现为时间晶体的奇异物质状态，并连接到一个单一的、不断发展的系统，这是将时间晶体用于实际目的的下一步，例如量子信息处理。

“每个人都知道永动机是不可能的，”Samuli Autti说，“然而，在量子物理学中，只要我们闭上眼睛，永动机是可以的。通过潜入这个缝隙，我们可以制造时间晶体。”

该团队使用的时间晶体由称为“磁振子”（magnon）的准粒子组成：磁振子不是真正的粒子，而是由电子自旋的集体激发组成，就像通过自旋晶格传播的波一样。当氦-3（一种具有两个质子但只有一个中子的氦的稳定同位素）冷却到绝对零度的万分之一以内时，就会出现磁振子——这就产生了“B相超流体”（B-phase superfluid，一种具有低压的无黏性流体）。

实验示意图。超流体氦-3样品被装在一个石英玻璃缸中。磁振子时间晶体（蓝色圆球）被困于容器中间，这是由于使用线圈（pinch coil，绿色线环）产生的静态磁场的最小值和超流体轨道动量L（绿色小箭头）的空间分布共同作用的结果；使用线圈（NMR coil）可以观察到时间晶体中磁化M（粉红色锥体）的相干预演；静态磁场H的方向与圆柱体的轴线平行。

在B相超流体这种介质中，时间晶体形成为空间上不同的玻色-爱因斯坦凝聚态（由玻色子冷却到绝对零度以上形成），每个凝聚态由一万亿个磁振子准粒子组成。

这导致它们沉入最低能量状态，移动得非常缓慢并且聚集在一起甚至重叠产生高密度的原子云，其作用类似于一个“超级原子”或物质波。当两个时间晶体被允许相互接触时，它们交换了磁振子。这种交换影响了每个时间晶体的振荡，创建了一个单一的系统，时间晶体可以选择在两种离散状态下运行。

a.L的分布（绿色箭头）将磁振子限制在两个局部最小点，承载两个相邻的时间晶体：一个在超流体的主体（蓝色圆球），另一个接触自由表面（红色圆球）。在每个时间晶体中，磁化是相干的且与测量电路相耦合；b.磁振子改变了L分布所产生的约束陷阱，这增加了各状态之间的耦合；c.两级系统的状态（红色箭头）可以用一个布洛赫球来说明，其中径向距离对应于磁子数NB+NS，时间晶体的预演之间的相对相位对应于方位角j，极性角θ描述了“叠加”中两级基础状态的相对权重。

量子物理学中，在被明确的测量固定下来之前，物体可以具有多个状态，并存在于这些状态的混合中。 因此，让时间晶体在双态系统中工作，为量子技术提供了丰富的新选择。

“事实证明，将两个时间晶体放在一起效果很好，”Samuli Autti博士解释说[4]。

量子计算机的基本构建块被称为“二能级系统”——一个存在于两个独立量子态叠加的量子系统。这正是此次研究人员所构建的，“在我们的实验中，由自旋波准粒子组成的两个耦合时间晶体……形成一个宏观的两级系统。”该论文解释说。

“这两个能级随着时间而演变，本质上是由非线性反馈决定的，使我们能够构建自发的二能级动力学。 磁振子时间晶体允许在一次实验中了解量子相干相互作用的各个方面和细节，因此这种二能级系统的发现可能提供一种制造量子计算机的方法，而且可以在无需冷却的环境下工作。 ”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-30783-w

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.030401

[3]https://www.nature.com/articles/s41563-020-0780-y

[4]https://www.iflscience.com/physics/impossible-time-crystal-system-could-hold-secret-to-quantum-computing-revolution/