在谷歌量子计算机内弄成的另外世界的"时间晶体"

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yuan001|  楼主 | 2021-9-19 09:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 tpgf 于 2021-9-22 16:20 编辑

在谷歌量子计算机内弄成的另外世界的"时间晶体"可能永远改变物理学
By Ben Turner
2021/9/18
Science & Astronomy
   能够不丧失能量永远在状态之间循环的晶体。
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这种时间晶体被创造在谷歌的悬铃木Sycamore芯片中,芯片被冷却在它们的量子低温恒温器内。 (Image credit: Eric Lucero/Google, Inc.)

   与谷歌合作的研究人员可能已经刚刚利用这家科技巨头的量子计算机创造了一个全新的物质的相------一个时间晶体。

   具有永远在两个状态之间循环从来不丧失能量的能力,时间晶体避开物理学最重要的法则之------热力学的第二定律,它声明一个孤立系统的无序或熵一定总是增加。这些奇特的时间晶体仍然稳定的,抵抗任何溶解成随机性,尽管存在在一个流的恒定的状态中。

   按照7月28日发布到预印数据库arXiv的一篇研究文章,科学家能够利用在谷歌的Sycamore量子处理器核心内的量子比特(量子计算的传统计算机位的版本)来创造时间晶体约100秒。

   这个诡异的新物质的相的存在以及它揭示的全新物理行为的领域对于物理学家是令人难以置信的令人兴奋,尤其是因为时间晶体仅在九年前被首次预测存在。

   英国伯明翰大学的物理学家柯特·冯·凯瑟林克告诉《生活科学》,"这是一个很大的惊奇"。他并没有参与这项研究。"如果你在30、20甚至10年前问过一个人,他们会没有已经预料到这个"。

   时间晶体对物理学家们是迷人的物体,因为它们基本上绕开热力学的第二定律,热力学是物理学中最铁定的法则之一。它声明熵(在一个系统中紊乱的量的粗略模拟)总是增加。如果你想使一些东西更有序,你需要放入它更多的能量。

   这种紊乱来增长的倾向解释很多事情,例如为什么将成分搅拌成一种混合物比再次将成分从它们分离出来更容易,或者为什么耳机线在裤子的口袋里变得如此纠缠。它也设置时间的箭头,过去的宇宙总是比现在的更有序:例如,反向观看一个视频可能对你看起来很奇怪,主要是因为你正在目睹这个熵流动的反直觉的逆转。

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热力学的第二条定律说所有系统都朝向一种更无序的状态演变,其中能量被跨整个系统均匀的分享出去。(Image credit: Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

   时间晶体不遵循这个规则。不是慢慢的接近热平衡------"热化"以便它们的能量或温度被整个它们的环境相等的分布,而是它们被卡在两种高于平衡状态之上的能量状态之间,在它们之间无限的来回循环。

   为了解释这种行为是多么深刻的不寻常,冯·凯瑟林克说来想象一个装满硬币的密封盒子之前被摇晃了一百万次。随硬币彼此摇曳和弹跳着,它们"变得越来越混沌的,探索各种它们能探索的配置",直到摇晃停止,盒子被打开来揭示在随机配置中的硬币,有大约一半的硬币面朝上,一半面朝下。无论我们最初怎样在盒子里排列硬币我们能期望来看这个随机的、半向上的、半向下的终点。

   在谷歌的悬铃木(Sycamore)的"盒子"里,我们能视这个量子处理器的量子比特远更像我们硬币会是的一样。以同样的方式硬币能要么是面要么是底,量子比特能要么是一个1要么一个0------或在一个双状态系统中两个可能的位置-----或一个叫一个超位的两种状态的诡异混合。冯·凯瑟林克说,关于时间晶体诡异的是没有任何震动的量或从一种状态疾驰到另一种状态能将时间晶体的量子比特移动成最低能量状态,这是一种随机配置:它们只能把它从它的开始状态翻转到它们的第二状态, 然后再转回来。

   冯·凯瑟林克说"这刚好是一种翻转,它不最终看起来随机的, 它刚好被堵住卡着。就好像它记得它最初的看起来像的,随着时间它重复了这种模式"。

   从这个意义上说,一个时间水晶就像一个永不停止摆动的钟摆一样。

   英国拉夫堡大学的物理学家阿基利亚斯·拉扎里德斯告诉《生活科学》杂志, "即使你完全的物理上将一个钟摆从宇宙隔离开,因此没有摩擦,没有空气阻力,它将最终停止。这是因为热力学的第二定律",他是在2015年首次发现新相的理论可能性的科学家之一。"能量在钟摆的质量中心浓度始出,但有所有这些自由度的内部度-------像原子在棒内能振动的样子------它最终被转移成"。

   事实上,对大尺度物体不用听起来荒唐来像一个时间晶体一样行为是没有办法的,因为唯一的使时间晶体来存在规则是规制非常小的世界量子力学的诡异的和超现实的规则。

   在量子世界中,物体行为既像点粒子同时也像小波,这些波在任何给定空间区域的幅度代表在该位置发现一个粒子的概率。但是随机性(如晶体结构中的随机缺陷或在量子比特之间相互作用强度中的编程随机性)能造成一个粒子的概率波来从一个非常小的区域分开的各处抵消掉它自己。根植于原位、不能来移动、改变状态或与它的环境热化,粒子变得局部化的。

   研究人员利用这种局域化过程作为它们的实验的基础。科学家们使用20条超导铝条作为他们的量子比特,将每条铝条编程为两种可能的状态之一。然后,通过在条带上轰击微波束,他们能够来驱动他们的量子比特翻转状态:研究人员重复了数以万计轮的实验,并在不同的点停下来记录他们的量子比特所处的状态。他们发现了的是他们的量子比特的收集正在仅两种配置之间来回翻转,而量子比特也没有吸收来自微波束的热------他们已经弄成了一个时间晶体。

   他们还看到了一个关键的他们的时间晶体是物质的一个相的线索。对某些被考虑为一个相的东西,在波动面前它通常不得不是非常稳定的。如果周围的温度略有变化固体将不融化:轻微的波动也不会造成液体突然的来蒸发或冻结。同样,如果用于在状态之间翻转量比特的微波束被调整接近到但与一个完美翻转所需的精确 180 度稍稍的偏差,则量子比特仍然翻转到另一种状态。

   拉扎里德斯说,"这不是如果你不刚好在180度你将争夺它们的情况。"它(时间水晶)神奇的总是会提示进来一点,即使你正在犯轻微的错误"。

   从一个相移动到另一个相的另一个标志是打破物理的对称性,即物理学的定律对一个物体在任何时间或空间的点上都是一样的。作为一种液体,水中的分子在空间的每一个点和每个方向上都遵循相同的物理定律,但冷却水足够低以便它变成冰它的分子会沿一个晶体结构或晶格选择有规律的点来安排它们自己穿过。突然之间,水分子在空间中有首选来占据的点,它们留下其它的点空的------水的空间对称性已经被自发地打破。

   就像冰用空间对称性打破变成为太间空中一个晶体一样,时间晶体通过用时间对称性打破变成时间晶体。首先,在它们转换成时间晶体相之前,量子比特的行将体验一个所有时间中时刻之间的连续对称性。但微波束的周期将由量子比特体验的恒定条件咬成离散的包(使由光束施加的对称性成为一个离散时间转换对称性)。然后,通过在光束波长的两倍周期来回翻转,量子比特打破由激光施加的离散时间转换对称性。它们是我们所知道的第一个能够做到这一点的对象。

   所有这些诡异性使时间晶体富含新的物理学,而Sycamore为研究人员提供超出其他实验设置的控制可以使它成为进一步研究的理想平台。然而,这并不是说它不能被改进。像所有量子系统一样,谷歌的量子计算机需要被从它的环境完全隔离来防止它的量子比特经历一种叫去相干的过程,去相干最终崩溃量子局域化效应,破坏这个时间晶体。研究人员正工作在如何更好地隔离他们的处理器并减去相干的影响,但不太可能他们将为好消除这种效果。

   尽管如此,谷歌的实验在可预见的未来可能仍然是研究时间晶体的最佳方式。虽然许多其他项目已经成功的以其他方式使令人信服似乎是时间晶体------以钻石、氦-3超流体、称为磁子的准粒子和玻色-爱因斯坦凝聚体-------对大部分,在这些设置中产生的晶体消散太快不能详细研究。

   晶体的理论新性以某些方式是一把双刃剑,因为物理学家们目前挣扎于发现它们的清晰的应用,尽管冯·凯瑟林克已经提出,它们可以用作高度精确的传感器。其他建议包括使用晶体进行更好的内存存储或开发有甚至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:它们允许科学家来探索量子力学的边界。

   拉扎里德斯说,"它不仅允许研究自然界中出现的东西,还来实际上设计它,观察量子力学让你做的和不让你做的,如果你在自然界中没有发现某些东西, 那并不意味着它不存在------我们只创造了其中的一个"。

   最初发布于生活科学Live Science.


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LED2013 2021-9-28 10:30 回复TA
也许是变成了另外一门科学 
LED2013| | 2021-9-28 10:30 | 显示全部楼层
其实,研究这些,不如研究长生不死

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