透過「時間晶體」,量子電腦有望在絕對零度以外的環境運作!

晶體示意圖,非文中所述的時間晶體。

固態、液態、氣態是日常生活中常見的物質三態,然而 2012 年,科學家提出新型的物質狀態:時間晶體(time crystal),並在 2017 年獲得實驗證實。近期,蘭卡斯特大學研究團隊首次觀測到時間晶體間的交互作用,而這種交互作用的特性,能用於提升量子運算的性能,並有望打造出能在非絕對零度環境運作的量子電腦。

研究團隊將論文發表在《Nature Materials》期刊上。

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科學家首次觀測到時間晶體的交互作用

2012 年,諾貝爾物理學獎得主 Frank Wilczek 提出理論性的時間晶體概念。簡單來說,固體、液體、氣體屬於三維晶體,它們的 pattern 在三維空間下有週期性重複的特性,但從時間維度來看,它們都恆定不變;然而時間晶體不僅在三維空間有週期性的特性,在時間下也會週期性重複,呈現一種永動狀態。

2017 年,馬里蘭大學的 Christopher Monroe 團隊以及哈佛大學的 Mikhail Lukin 團隊成功在實驗室做出時間晶體,證實 Frank Wilczek 的理論,並發表在《Science》期刊上。

近期,蘭卡斯特大學研究團隊首次觀測到時間晶體之間的交互作用。

時間晶體的交互作用與約瑟夫森效應一致

為了製造時間晶體,研究團隊首先讓一個直徑僅 6 毫米,內含少量氦氣,逼近真空的容器,降溫到接近絕對零度的溫度;接著再使用容器兩側的銅製線圈產生無線電頻率的脈衝,讓容器內的氣體形成兩個旋轉的磁性粒子雲。這些雲肉眼看不到,但會產生訊號,讓科學家得以觀測它們的存在,並得知雲內部的粒子數量。

這些雲就是時間晶體。研究團隊觀測到的訊號,就是這兩個雲之間交換的粒子,代表時間晶體之間有交互作用。

除此之外,此實驗也發現時間晶體的交互作用與約瑟夫森效應(AC Josephson effect)一致。約瑟夫森效應是一種巨觀量子效應,透過此效應,科學家能建構量子位元,執行量子運算。

研究團隊用於製造、觀測時間晶體的儀器。圖片來源:《Nature Materials》期刊

時間晶體有望提升量子運算性能,並讓量子電腦脫離絕對零度環境

談到實驗的未來應用,論文的第一作者 – 蘭卡斯特大學助理研究員 Samuli Autti 表示,目前還沒有明確的答案,但預期能用於提升原子鐘與量子運算的性能。

關於量子運算,Autti 進一步表示,目前用於量子電腦的超導材料,原理都是基於約瑟夫森效應,我們實驗觀察到的時間晶體交互作用基本上與之相同。但除了量子效應之外,時間晶體的的相干性(coherence)更不容易受到外界干擾,這對量子電腦的穩定性很重要。

此外 Autti 也認為,透過時間晶體,人類有望打造出不需在接近絕對零度環境下運作的量子電腦。由於時間晶體的型態與在室溫下的凝態固態物質相似,Autti 與他的研究團隊認為,時間晶體的特性可能也相同。若真是如此,量子電腦就有可能脫離絕對零度的運作環境,讓量子電腦更容易商用化。

但目前研究團隊僅觀察到時間晶體的交互作用,至於交互作用的型態,以及要如何用於量子運算,科學界目前仍沒有足夠的答案,因此離實際應用還有段距離。但這個實驗給了科學家提升量子運算的可能方案,也給人們多了一些對量子電腦的想像。

參考資料

Nature Materials》、《Lancaster University》、《Inverse》、《Science Alert

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Wallpaper Flare CC Licensed

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