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57个量子比特!科学家造就迄今最大时间晶体

2022-03-05 10:10
来源:澎湃新闻·澎湃号·政务
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近日,澳大利亚物理学家设计出迄今为止最大的时间晶体,该时间晶体由57个量子比特组成,比去年谷歌科学家模拟的20个量子比特的时间晶体大一倍多。相关研究结果3月2日发表于《科学进展》。

未参与该研究的微软凝聚态物理学家Chetan Nayak表示,这项工作显示了量子计算机模拟复杂系统的能力,使这些系统不只存在于物理学家的理论中。

时间晶体的概念最早出现在10年前,由诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院理论物理学家Frank Wilczek最先提出。Wilczek表示,时间晶体经历周期性运动,每隔一段时间就会回到最初的形态,并能自发打破时间平移对称性。也就是说,它可以随着时间改变,但是会持续回到开始时的相同形态,如同钟表的指针周期性地回到原始位置。

时间晶体是一种量子粒子系统,被锁在一段永恒的时间循环中。

墨尔本大学理论学家Philipp Frey和Stephan Rachel使用IBM量子计算机进行远程模拟,进行了量子比特演示。他们可以同时将量子比特设置为0和1或1和0,并通过编程使它们像磁铁一样相互作用。

在它们相互作用的某些设置中,研究人员发现,57个量子比特的任何初始设置都保持稳定——每两个脉冲就会回到原始状态。

乍一看,这一观点似乎有点平淡无奇。毕竟,如果磁铁没有相互作用,脉冲也会使它们翻转180°,并产生一样的半频响应。哈佛大学凝聚态理论学家Dominic Else解释,是磁铁之间的相互作用让这种结构趋于稳定,使该系统成为时间晶体,并使得这个系统不受一些“缺陷”的影响,例如在脉冲不够长的情况下,也能产生翻转。

但是,只提高量子位相互作用的力度是不够的。Rachel解释,相邻两个量子位间的相互作用必须随机变化。比如,如果所有“磁铁”相互作用都一样强,那么有一个“磁铁”出了问题,就可能导致链条上的其他“磁铁”出现翻转错误。“正是这种随机性阻止了错误的传播,并稳定了时间晶体。”Rachel说。

Rachel认为,该模拟并不完美。按理说,这种翻转模式能无限持续下去,但IBM量子计算机的量子比特大概只能让该结构保持50次稳定循环。时间晶体最终可能被用来储存一串量子位元的状态,成为量子计算机的一种存储方式,但要实现这项突破,还需要花费大量时间。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/sciadv.abm7652

来源:中国科学报 作者:辛雨

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