DAOrayaki |在量子计算机内制造一个“时间晶体”

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:30 USD

研究种类:Quantum Computer, Time Crystal

原文作者:   Matt Swayne

创作者:hahaho@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  ‘An ever-ticking clock’: we made a ‘time crystal’ inside a quantum computer

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科学家认为,量子计算机有助于基础物理学研究。于是有了“时间晶体。”(图片:Michael Faes/Unsplash)

你可能知道晶体是什么。我们都见过,拿过,甚至在舌头上尝过(比如氯化钠晶体,也被称为“盐”)。

但“时间晶体”到底是什么?很明显不是漫威电影中的那种,为什么需要用量子计算机来制造一个?量子计算机又是什么?

比特和量子比特(Bits and qubits)

我们周围都是电脑。台式的,便携的,用来看Netflix,打电子游戏,而有的则填满整个房间,模拟复杂现象,如天气或宇宙演化。

总而言之,计算机都有相同的目的:处理信息。信息以“比特(bit)”的形式存储和处理。

任何可以识别两个不同状态(称为“0”和“1”)的物理系统都可以视为Bit。众多Bit以正确的方式连接在一起,可以进行算术、逻辑推演或我们通常所说的“计算”。

然而,在基本面上,物理世界受到量子物理的奇怪规则支配。你可以造一个量子的比特,称为量子比特(quantum bit)。

量子比特可以用“0”和“1”两种状态描述,也可以同时是“0”和“1”。这使得信息处理形式更加丰富,计算机也因此变得更强大。

于是,美国著名物理学家理查德·费曼(Richard feynman)在30多年前首次提出:利用量子计算机进行基础物理学研究。

可以用量子计算机做什么?

目前这一领域的大部分研究要么集中在建造一个可工作的量子计算机上(确实是一个具有挑战性的工作),要么集中在设计算法,以完成目前的传统计算机无法完成的任务。

我们通常使用纸笔数学和计算机模拟相结合的方法来研究物理系统。不过,传统计算机在模拟量子物理方面效率比较差。

于是到了量子计算机的用武之地。它本质上已经是量子的了,原则上也可以像希望的那样运行。

例如使用IBM的量子计算机,就能将其变成一个实验模拟器,以创造一种新的物质状态,如费曼设想的那样。这台机器位于美国,但可以被全球的研究人员远程访问。

时间晶体

创造的这种特殊类型的量子系统叫做“时间晶体” 。

其中的关键是物质存在于不同的“相”(或“阶段状态”)中,比如水的三种常见状态:冰、水和蒸汽。一种材料可以有不同的”相”,取决于在哪个阶段发现它。

现在,有一个传统晶体,我们称它为“空间晶体”。特点是粒子在空间中有非常规则的排列。

而在“时间晶体”中,粒子不仅在空间上有规律地排列,而且在时间上也有规律地排列。粒子从一个位置移动到另一个位置,再移动回来,没有减速或失去能量。

喝一杯“平衡“”的咖啡。(图片来源:Unsplash/叶心彤)

“超越”平衡

我们通常遇到的各种“相”有一个共同点:它们处于“热平衡”状态。如果把一杯热咖啡放在你的桌子上,它会把热量传递到周围,直到它与你房间温致,然后停止,不再发生任何变化。

这时在咖啡里加一层奶油,然后开始搅拌,你会看到变化发生。咖啡和奶油会混合成漂亮的漩涡,变成均匀的浅棕色液体。

这些都是“平衡”的例子。共同的是处于平衡状态的事物不会随着时间而改变。

而“时间晶体”不同。它会一直变化,永远不会达到平衡。

热力学定律的“漏洞”?

因此“时间晶体”构成了一个非平衡“相”。它本质上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保持运转。

这似乎无限接近永动机,这违反热力学定律。

但热力学第一定律:能量不会被创造或毁灭。暂时是安全的,因为不能从时间晶体中提取能量的同时让它继续保持运转。

第二定律指出,随着时间的推移,事情只会变得更加无序。

但其中有个漏洞。第二定律不允许事物随着时间变得更加有序,并不是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。就好比搅拌你的咖啡和奶油,却发现旋转的奶油漩涡从来没有完全与咖啡混合。

这就是“时间晶体”的作用。我们在日常生活中看不到它,因为它是一种量子现象。

超越“时间晶体”

量子计算机仍处于起步阶段。但随着改进,它可以提高我们对自然的基本理解。

这进而可能转化为技术创新,就像上个世纪的物理学成就了塑造今天的数字革命一样。

量子计算机为物理学家设计和研究自然界中无法发现的新物质状态提供了一个平台。时间晶体标志着这一激动人心的努力的开始。


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