特殊的量子系统“时间晶体”:可以永远保持走时精准的钟

科技 9个月前 社科兔
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特殊的量子系统“时间晶体”:可以永远保持走时精准的钟研究人员在量子计算机中创造出了一种全新物态——时间晶体

  新浪科技讯 北京时间3月8日消息,据国外媒体报道,提到晶体,我们可能都不陌生。比如我们常见的食盐,主要成分就是氯化钠晶体。但是,你知道什么是“时间晶体”吗?为什么研究人员需要用量子计算机来制造一个时间晶体?更进一步,究竟什么是量子计算机呢?

  比特和量子比特

特殊的量子系统“时间晶体”:可以永远保持走时精准的钟传统的比特可以取0或1的值,但量子比特可以取介于两者之间的一系列复值。

  让我们从日常工作所用的计算机开始。我们身边到处都是计算机,有些是台式机,有些是便携式的笔记本,还有一些计算机则可以填满整个房间,用于模拟复杂的现象,如天气变化或宇宙演变。

  无论计算机的设计样式如何,它们在基础层面上都有一个共同的目的:处理信息。这些信息的最小单位是“比特”(bit)——由binary digit(二进制数位)混合而成。计算机以比特的形式对信息进行存储和处理。

  任何具有两个可识别的不同状态(称为“0”和“1”)的物理系统都可以作为1个比特。用适当的方式将许多比特联系在一起,我们就可以进行数据演算和逻辑运算,即通常所说的“计算”(computation)。

  现在,科学家已经证实,物理世界在非常基础的层面上是由量子物理的奇怪规则所支配的。我们可以制造出比特的量子版本,称为“量子比特”(qubit)。量子比特也可以用“0”和“1”两种状态来描述,但它们可以同时是“0”和“1”。这使得信息处理的形式更加丰富,计算机也因此变得更加强大。

  我们能用量子计算机做什么?

  目前量子计算领域的大部分研究主要集中在两个方面,一是建造一个可运行的量子计算机,这的确是相当有挑战性的工程任务;二是集中在算法的设计上,用来实现当前经典计算机无法完成的任务。

  也有一些研究者,比如澳大利亚墨尔本大学的凝聚态物理学家斯蒂芬·雷切尔等,则专注于美国著名物理学家理查德·费曼在30多年前首次提出的一种应用:利用量子计算机进行基础物理学研究。

  理论物理学家通常使用纸笔数学运算和计算机模拟相结合的方法来研究物理系统。遗憾的是,传统计算机在模拟量子物理方面能做的工作十分有限。于是,量子计算机的开发便有了必要性。量子计算机使用量子算法来进行数据操作,“已经是量子的了”,本质上它们的行为与物理学家想要研究的任何量子系统是一样的。

  利用IBM的量子计算机,斯蒂芬·雷切尔等研究者实现了他们的设想。他们将量子计算机变成一个实验模拟器,创造出了一种新的物质状态,正如费曼所设想的那样。这台机器位于美国,但可以被全球的研究人员远程访问。

  能够在世界任何地方访问量子计算机,这本身就代表了这类量子研究的重大转变。

  时间晶体

特殊的量子系统“时间晶体”:可以永远保持走时精准的钟在传统晶体中,粒子在空间中有规律地排列;而在时间晶体中,粒子还可以按时间规律地排列。

  斯蒂芬·雷切尔等人创造的这种特殊类型的量子系统被称为“时间晶体”。要理解这种奇特的晶体,关键在于理解物质以不同的“相”存在;例如,水具有3种常见的相:冰、水和水蒸气。一种材料可以有非常不同的性质,取决于我们发现它时处于哪个相。

  传统的晶体——实际上可以称为“空间晶体”——就是这样一种物质的相。这种晶体的特点就是粒子在空间中有非常规则的排列。在时间晶体中,粒子不仅在空间上排列非常规律,而且在时间上的排列也非常规律。这些粒子可以从一个位置移动到另一个位置,再移动回来,不会减速或失去能量。这和科学家们通常处理的情况完全不同。

  换句话说,时间晶体可以随时间改变,但是会持续回到它开始时的形态,就是钟表的指针会周期性地回到其原始位置。但是,与普通钟表和其他周期性过程不同的是,时间晶体和空间晶体同样是一种最低限度的能量状态。我们可以将时间晶体视为一只可以永远保持走时精准的钟,即使在宇宙达到热寂之后也是如此。

  超越平衡

  我们通常遇到的各种相都有一个共同点:它们处于“热平衡”状态。如果你把一杯热咖啡放在桌面上,它会把热量传递到周围的环境,直到达到和房间一样的温度,然后热量传递就停止了,不再有变化。

  但是,如果你小心地在咖啡里加入一层奶油,然后开始搅拌,你就会看到即刻发生的变化。咖啡和奶油会混合成美丽的漩涡,直到整杯液体变成均匀的浅棕色,之后就不会有什么变化了。

  这些都是“平衡”的例子,可以认为,处于平衡状态的事物通常不会随着时间而改变。然而,时间晶体违反了这种情况。它会一直处于变化之中,永远持续下去,永远不会达到平衡。

  热力学定律的漏洞?

特殊的量子系统“时间晶体”:可以永远保持走时精准的钟咖啡和牛奶混合在一起会产生美丽的漩涡,最终达到均匀的浅棕色平衡状态。

  因此,时间晶体构成了一种非平衡相——事实上,时间晶体是这种奇怪物质状态的第一个例子。本质上,时间晶体就像一个不断滴答作响的时钟,既不损失能量,也不需要能量供应来维持运转。

  这看起来很像是永动机,似乎违反了热力学定律。不过,热力学第一定律——能量不会被创造或毁灭——在这里没有受到任何挑战,因为我们不能在从时间晶体中提取能量的同时,让它继续运转。在时间晶体中,能量是守恒的,因为没有任何能量被移走。

  热力学第二定律指出,随着时间的推移,事物只会变得更加无序。

  但这其中存在一个漏洞。热力学第二定律禁止事物随着时间变得更加有序,但并没有说它们不能永远保持当前的无序状态。在日常生活中,我们看不到这种漏洞。这就好比在搅拌咖啡和奶油时,却发现旋转的奶油从未完全与咖啡混合。

  时间晶体便是如此。我们在日常生活中看不到这种量子现象,但是它确实存在。

  超越时间晶体

  量子计算机仍处于起步阶段,但随着它们的改进,物理学家们有望进一步提高对自然规律的基本理解。在此基础上,相关的科学发现有可能转化为技术创新,正如20世纪的物理学成就了数字革命一样。我们的生活可能也会因此呈现全新的面貌。

  量子计算机为物理学家提供了一个平台,用来设计和研究自然界中无法发现的全新物质状态。构建出时间晶体之后,科学家们将拥有一种更加有效的全新手段,对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用进行研究,或者研究物理学中的“多体问题”——涉及大量粒子构成的微观系统,且粒子之间有相互作用。

  当然,时间晶体也可以用于对量子系统的研究,包括量子纠缠现象。在量子纠缠中,对其中一个粒子进行操作时,另一个粒子也会发生相应的变化,即使二者的距离非常遥远。(任天)

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