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在谷歌量子计算机中制造的超时空“时间晶体”可能永远改变物理学

时间晶体是在谷歌的Sycamore芯片中创造的,该芯片在他们的量子低温恒温器中保持冷却。
时间晶体是在谷歌的Sycamore芯片中创造的,该芯片在他们的量子低温恒温器中保持冷却。 (图片来源:Eric Lucero/谷歌,Inc.)

与谷歌合作的研究人员可能刚刚利用这家科技巨头的量子计算机创造了一种全新的量子计算机澳门金沙网络娱乐场阶段的物质-时间水晶。

由于能够永远在两种状态之间循环而不损失能量,时间晶体避开了最重要的物理定律之一——时间热力学第二定律,即孤立系统的无序性或熵必然不断增加。这些奇异的时间晶体保持稳定,抵抗任何分解为随机,尽管存在于一个恒定的流动状态。

根据7月28日发布在预印本数据库中的一篇研究文章arXiv在美国,科学家们能够使用谷歌的Sycamore量子处理器内核中的量子位(传统计算机位的量子计算版本)创造出大约100秒的时间晶体。

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这个奇怪的新物质阶段的存在,以及它揭示的物理行为的全新领域,对物理学家来说是令人难以置信的兴奋,尤其是时间晶体在9年前才被首次预测存在。

“这是一个大惊喜,”英国伯明翰大学的物理学家Curt von Keyserlingk告诉趣味科学网站,他没有参与这项研究。澳门金沙网上游戏“如果你问30年、20年甚至10年前的人,他们不会想到这一点。”

对于物理学家来说,时间晶体是很吸引人的对象,因为它们本质上避开了热力学第二定律,这是物理学中最牢不可破的定律之一。它指出熵(系统无序程度的粗略类比)总是在增加。如果你想让东西更有序,你需要投入更多的能量。

这种无序增长的趋势解释了很多事情,比如为什么把原料搅拌在一起比把它们分开更容易,或者为什么耳机线会在裤子口袋里纠缠不清。它还设定了时间的箭头,过去的宇宙总是比现在的宇宙更有序;举个例子,看一个反向的视频,你可能会觉得很奇怪,主要是因为你看到的是反直觉的熵流动的逆转。

热力学第二定律说,所有的系统都朝着一种更无序的状态发展,在这种状态下,能量在整个系统中平均分配。 (图片来源:环球历史档案馆/环球图片集团通过盖蒂图片社)

时间晶体不遵循这个规则。它们不是慢慢地接近热平衡——“热化”,使它们的能量或温度在周围环境中平均分布,而是卡在平衡态以上的两个能态之间,在它们之间无休止地来回循环。

为了解释这种行为有多么不寻常,冯·凯瑟林克说,他想象了一个装满硬币的密封盒子,然后被摇了一百万次。的硬币跳弹,弹,彼此,他们“变得越来越混乱,探索所有的各种配置,他们可以探索“直到晃动停止,和盒子打开,揭示了硬币在随机配置中,有大约一半的一半硬币朝上和朝下。我们可以看到这个随机的,一半朝上,一半朝下的端点不管我们把硬币放在盒子里的方式是什么。

在谷歌的Sycamore的“盒子”里,我们可以看到量子处理器的量子位,就像我们看到硬币一样。就像硬币可以是正面也可以是反面一样,量子位元可以是1或0——双态系统中的两个可能位置——也可以是两态概率的奇怪组合,称为叠加。冯·凯瑟林克说,时间晶体的奇怪之处在于,从一种状态到另一种状态,再多的震动,也无法将时间晶体的量子位元移动到能量最低的状态,这是一种随机配置;它们只能把它从初始状态变成第二状态,然后再变回来。

冯·基瑟林克说:“这就像是人字拖。”“它最终看起来并不是随机的,它只是卡住了。就好像它记得最初的样子,然后随着时间的推移重复这个模式。”

从这个意义上说,时间晶体就像一个永远不会停止摆动的钟摆。

“即使你在物理上将一个钟摆与宇宙完全隔离,因此没有摩擦和空气阻力,它最终会停止。这是因为热力学第二定律,”英国拉夫堡大学的物理学家阿基里斯·拉扎里季斯(Achilleas Lazarides)告诉趣味科学网站(Live Science),他是2015年首次发现新阶段理论可能性的科学家之一。澳门金沙网上游戏“能量一开始集中在钟摆的质心,但有所有这些内部自由度-就像原子可以在杆子内部振动——它最终会被转移到杆子里。”

事实上,要让一个大型物体表现得像时间水晶一样,听起来就很荒谬,因为让时间水晶存在的唯一规则是那些统治着非常小的世界的令人毛骨悚然的和超现实的规则量子力学

在量子世界中,物体同时表现为点粒子和小波,这些波在任何给定空间区域的大小代表在该位置找到粒子的概率。但随机性(例如晶体结构中的随机缺陷或量子位元之间相互作用强度的程序随机性)会导致粒子的概率波在除了一个非常小的区域之外的任何地方抵消掉自己。粒子扎根于某个地方,无法移动,无法改变状态,也无法与周围环境产生热效应,因此粒子变得局域化。

研究人员将这种定位过程作为他们实验的基础。使用了20条超导带对于它们的量子位,科学家们将每个量子位编入两种可能状态中的一种。然后,通过在条带上发射微波束,他们能够驱动量子比特进入翻转态;研究人员重复了数万次实验,并在不同的点停止,以记录他们的量子位元的状态。他们发现,他们收集的量子位元只在两种构型之间来回翻转,而且量子位元也没有从微波束中吸收热量——他们制造了一个时间晶体。

他们还发现了一个关键线索,即他们的时间晶体是物质的一种相。对于被认为是一个阶段的事物,它通常必须在面对波动时非常稳定。固体不会熔化,如果温度它们的周围略有不同;微小的波动也不会导致液体突然蒸发或冻结。同样,如果将用于在不同状态间翻转量子位的微波束调整到接近但稍微偏离完美翻转所需的精确180度,量子位仍然会翻转到另一种状态。

拉扎里德斯说:“如果你不精确地在180度,你就不会把它们弄乱。”“即使你犯了一点小错误,(时间的水晶)也会神奇地往里倒一点。”

从一个阶段移动到另一个阶段的另一个标志是物理对称的打破,即物理定律对一个物体在任何时间或空间点上都是相同的。液体,水分子遵循相同的物理定律在每一点空间和在每一个方向,但足够水降温,它转换成冰,它的分子会定期点沿着晶体结构或晶格排列。澳门金莎网上游戏突然之间,水分子在空间中有了优先占据的点,而让其他点空着——水的空间对称性自然被打破了。

就像冰通过打破空间的对称性而在空间中变成晶体一样,时间晶体通过打破时间的对称性而在时间中变成晶体。首先,在它们转变为时间晶体相之前,量子位在时间的所有时刻澳门金莎网上游戏之间将经历一个连续的对称。但是微波束的周期周期将量子位元所经历的恒定条件分解成离散的包(使微波束所施加的对称性成为离散的时间平移对称性)。然后,通过以两倍于光束波长周期的速度来回翻转,量子位元随着激光施加的离散时间平移对称而断裂。它们是我们所知道的第一个能够这样做的物体。

所有这些怪异之处使得时间晶体具有丰富的新物理特性,Sycamore为研究人员提供了超出其他实验设置的控制,使其成为进一步研究的理想平台。澳门金莎网上游戏然而,这并不是说它无法改进。像所有的量子系统一样,谷歌的量子计算机需要与它的环境完全隔离,以防止它的量子位元经历一个叫做退相干的过程,这个过程最终会打破量子局域效应,破坏时间晶体。研究人员正在研究如何更好地隔离处理器,并减轻退相干的影响,但他们不太可能永远消除这种影响。

尽管如此,谷歌的实验仍可能是在可预见的未来研究时间晶体的最佳方法。尽管许多其他项目已经成功地用其他方式制造出令人信服的时间晶体——用钻石、氦-3超流体、被称为马格纳子的准粒子以及用“bose - einstein”冷凝物大多数情况下,在这些设置中产生的晶体消散得太快,无法进行详细的研究。

这种晶体在理论上的新奇在某种程度上是一把双刃剑,因为物理学家们目前正努力为它们找到明确的应用,尽管冯·Keyserlingk已经提出它们可以被用作高度精确的传感器。其他的建议包括利用这种晶体来实现更好的存储,或者开发具有更快处理能力的量子计算机。

但从另一个意义上说,时间晶体的最大应用可能已经在这里了:它们让科学家可以探索量子力学的边界。

拉扎里德斯说:“它不仅能让你研究自然界出现的现象,还能让你实际设计它,看看量子力学允许你做什么,不允许你做什么。”“如果你在自然界中找不到某种东西,那并不意味着它不存在——我们只是创造了其中之一。”

最初发表在Live Science上。澳门金沙网上游戏

本·特纳(Ben Turner)是生活科学网站(Live Science)驻英国的特约澳门金沙网上游戏撰稿人。他涵盖了物理学和天文学,以及其他主题,如奇怪的动物和气候变化。他毕业于伦敦大学学院,获得粒子物理学学位,之后接受了记者培训。不写作的时候,本喜欢阅读文学作品,弹吉他,下棋让自己难堪。