編者按：日前，一篇有關谷歌實現“時間晶體”的文章在筆者的朋友圈刷屏。而IEEE在近日對谷歌團隊的負責人進行了專訪，與大家分享了這個研究背後的意義，現在我們編譯如下，以饗讀者。

以下爲文章正文：

大約十年前首次構想的時間晶體（time crystal ）是一種新物質，它與永動機有着驚人的相似之處。理論上，它的部件可以在不消耗能量的情況下以重復循環的方式移動，就像一塊沒有電池就可以永遠運行的手表。

多年來，科學家們一直在競相創造這種新的物質相。現在，Google Quantum A I 的研究人員和他們的同事透露，他們已經使用Google 的 Sycamore量子計算硬件創建了時間晶體，他們在11 月 30 日在线發表的《自然》雜志上詳細介紹了這一發現。

經典計算機打开或關閉晶體管以將數據表示爲 1 和 0，而量子計算機使用量子位，或量子位，由於量子力學的性質，它們可以以疊加狀態存在，那就意味着它們可以同時爲 1 和 0 . 通過稱爲糾纏的量子效應將量子位連接在一起，理論上 300 量子位的量子計算機可以在瞬間執行比可見宇宙中的原子更多的計算。2019 年，谷歌聲稱它使用 Sycamore 來展示“量子首要性”（ "quantum primacy"），尋找經典計算機無法解決的問題的答案。

在這項新研究中，研究人員使用的 20 量子位系統不是爲了計算，而是爲了實現時間晶體。爲了了解更多信息，我們採訪了谷歌研究科學家Kostyantyn Kechedzhi和谷歌高級研究科學家Xiao Mi，他們分別在理論和實驗方面進行了大量研究。爲了長度和清晰度，對話已被編輯。

EEE Spectrum : 什么是時間晶體？

Kostyantyn Kechedzhi：晶體是由許多原子組成的系統，由於相互的相互作用，它們在空間中組織成周期性模式。時間晶體是由許多粒子組成的量子系統，這些粒子將自身組織成一種周期性的運動模式——在時間上而不是在空間中——並且永久存在。

Spectrum：您可以將時間晶體與自然界中的什么進行比較？

Kechedzhi：持續周期運動在自然界中是非常熟悉的。兩個大質量物體由於重力相互吸引的系統是最簡單的例子——兩個物體圍繞共同的質心嚴格遵循周期性軌道運動。乍一看，這似乎是時間晶體的一個例子。然而，時間晶體的關鍵新穎之處在於許多物體相互作用的系統的周期性運動。

與僅兩個相互繞轉的大質量物體相比，由許多相互作用物體組成的系統表現出完全不同的行爲——運動不斷變化，而不是重復的模式。例如，在太陽系中，行星遵循近似周期性的軌跡，但行星的真實行爲是混亂的，這意味着行星今天與其路徑的微小偏差將導致隨着時間的推移完全重塑軌跡，盡管這需要數十億年。

熱力學第二定律假設由許多相互作用的物體組成的系統趨向於更加無序，這與時間晶體的嚴格周期性運動相矛盾。盡管如此，由於稱爲多體局域化的基本量子現象，由許多相互作用的量子物體組成的系統可以在不違反熱力學第二定律的情況下展示周期性運動。

Spectrum：所以在您的新工作中，您創建了一個周期性驅動的多體本地化時間晶體。這是一個由許多部分組成的時間晶體，其活動由外部施加的循環脈衝系列驅動。通過定位，你的意思是物理定律在這個時間晶體的特定區域起作用，以幫助它保持穩定並避免耗散能量？

Kechedzhi：是的。許多物體的局域量子系統（ localized quantum system ）的一個關鍵特性是，足夠弱的外部脈衝或施加到任何一個物體上的力都會影響其鄰居，但不會在整個系統中感受到。從這個意義上說，系統的響應是局部的。相比之下，在混沌系統中，整個系統都會感覺到輕微的擾動。局部化現象阻止了從外部驅動器吸收能量。

Spectrum：您的時間晶體與永動機的可比性如何？

Kechedzhi：在我們的實驗中觀察到的時間晶體不會從用於驅動其行爲的脈衝中吸收任何淨能量。這也許就是爲什么它們經常被比作永動機。

然而，永動機預計在沒有能源的情況下做功，這將違反熱力學定律。相比之下，時間晶體的運動在沒有能源的情況下不會產生功，因此不會違反物理定律。

Spectrum：你的時間晶體會隨着時間的推移而分解嗎？

Kechedzhi：我們的處理器不是 100% 與環境隔離的，這種與環境的弱耦合引入了時間晶體的有限“外在”壽命。換句話說，經過足夠長的時間後，順序會丟失，周期模式不再重復。

Spectrum：時間晶體有哪些應用？

Kechedzhi：時間晶體，就像鐵磁性或超導性一樣，是自發對稱性破缺或自發秩序的一個例子。例如，鐵磁體本質上是一個小得多的磁體系統，其磁極都指向一個方向，從這個意義上說是有序的。在這種狀態下，對稱性被稱爲“自發地”（spontaneously）破缺，因爲在正常物質中，極點都指向隨機方向。自發對稱性破缺（spontaneous symmetry breaking）的穩定例子，如鐵磁性或超導體的電阻消失，通常具有重要的技術價值。

自發的對稱破缺與平衡有關。例如，想象一下液態水在達到穩定的低溫時會凍結成晶體。我們觀察到的時間晶體的一個顯著特性是它的自發秩序（spontaneous order ），盡管它被驅動失去平衡。這一觀察結果爲識別具有新型有序類型的量子物質的其他非平衡狀態打开了大門。

Spectrum：時間晶體已被證明難以研究，爲什么？

Kechedzhi：挑战在於將量子物質與其環境隔離從來都不是完美的。

Spectrum：爲什么要使用量子計算機來幫助創建時間晶體？

Xiao Mi：量子計算機是實現時間晶體的首選平台，因爲它們具有精確校準的量子邏輯門。

Spectrum：量子邏輯門是傳統計算機用來執行計算的邏輯門的量子計算版本嗎？

Xiao Mi：是的。量子邏輯門允許以非常高的精度實現時間晶體存在所必需的多體相互作用。

以前對時間晶體的研究都是在所謂的量子模擬器上進行的。這些平台缺乏量子計算機的精度。結果，後來發現其中許多實驗由於意外的相互作用而存在缺陷。

Spectrum：你在新研究中展示了什么？

Xiao Mi：我們設計的量子電路具有理論上預期會導致時間晶體的相互作用類型。然後，我們從這些量子電路中收集數據，並使用各種技術來驗證我們的數據是否與時間結晶行爲一致。這包括三件事：

1、時間晶體順序的任何衰變或“熔化”（melting）僅由外部退相幹（external decoherence）引起，而不是由我們系統的內部動力學引起。 2、無論系統的初始狀態如何，都存在時間晶體的特徵。 3、我們可以確定時間結晶相的邊界——也就是它“熔化”的地方。

Spectrum：您個人認爲這些結果最有趣的是什么？

Xiao Mi：了解相變臨界點附近相互作用粒子的行爲——例如，冰融化成水的溫度——是物理學中一個長期存在的問題，並且對於量子系統仍然存在許多未解決的難題。我們能夠表徵時間晶體和量子混沌狀態之間的相變點。對於量子處理器作爲科學研究工具的早期應用來說，這是一個非常有前景的方向，其中數十或數百個量子位的中等規模系統已經可以提供有關相變性質的新實驗信息。

Spectrum：時間晶體如何帶來更好的量子計算機？

Mi：擁有像時間晶體這樣的物體可以穩定抵抗實驗幹擾，可能有助於設計長壽命的量子態，這是未來改進量子處理器的一項關鍵任務。

Spectrum：荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員使用量子位創造了另一種時間晶體。你如何區分你的作品和他們的作品？

Kechedzhi：代爾夫特實驗實施了我們早期理論工作中概述的一些協議，這些協議將多體局部（ many-body localized）時間晶體與近年來觀察到的所謂的熱前（pre-thermal ）時間晶體區分开來。熱前時間晶體的特徵是有限的本徵壽命，而多體局域時間晶體的特徵是發散的——即無限長的——本徵壽命（intrinsic lifetime）。

我們處理器的卓越靈活性使我們能夠證明時間晶體動力學在一系列系統參數中持續存在。其結果之一是我們觀察到時間晶體和混沌行爲之間的相變。相變的存在表明時間晶體是一種與更普遍的混沌多體狀態不同的物質狀態，包括熱前時間晶體。

至關重要的是，我們在新研究中描述的協議是可擴展的——它可以輕松應用於更大的量子處理器。這是進一步理論分析的結果，顯着改進了我們之前的代爾夫特實驗所基於的工作。將來，我可以看到我們的實驗在越來越大的系統上重復進行。

Spectrum：您認爲您的研究可能會朝着哪些具體方向發展？

Kechedzhi：我們的目標之一是將我們的處理器發展成爲物理和化學的科學工具。關鍵挑战是減少設備中的錯誤。這是量子處理器未來應用和實現容錯量子計算的關鍵。它需要通過硬件改進、算法錯誤緩解策略以及對噪聲在多體量子動力學中的作用的基本理解來解決。