Search
Close this search box.

Google 成功用量子電腦造出「時間晶體」,有望成為破解量子運算難題的奇蹟!

【為什麼我們要挑選這篇文章】Google、IBM、Intel、微軟等科技巨頭皆看好量子電腦(Quantum computer)高速運算的優勢,紛紛投入研發,但想讓量子運算落地,還有一大難題須克服:量子位元具有量子力學一個有趣的特徵,它們在被觀察時的行為,與不被觀察時不同,導致難以保持量子的相干性。

不過 Google 這次發表一篇論文,探討藉由早在 2012 年便提出的「時間晶體」,將有望化解此一難題。(責任編輯:何泰霖)

本文經 新智元(公眾號 ID:AI_era)授權轉載,轉載請連繫出處
作者:新智元

你能想像得到,有這樣一個物體,竟然跳出了經典的熱力學第二定律?

沒錯,這就是「時間晶體」。

雖然時間晶體自 2012 年首次被假設以來,「一直」都只是理論上的。直到最近,Google 與史丹佛大學、普林斯頓大學以及其他大學的物理學家聯合發表了一份研究:「Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor」。

這篇 7 月 28 日發表的論文中,研究人員稱真正的「時間晶體」已經可以透過 Google 的量子電腦進行觀察了。這篇具有里程碑意義的論文,作者數量也高達 100 多人。

「時間晶體」會在一個有規律的、重複的循環中運動,在不燃燒任何能量的情況下持續不斷變化。同時,「時間晶體」是第一個自發打破「時間轉換對稱性」的物體,即一個穩定的物體在整個時間內保持不變的規則。

時間晶體早在 2012 年被提出,但是否存在始終備受爭議

諾貝爾物理學獎得主 Frank Wilczek 。圖片來源:Wikipedia

時間晶體的假設最早可以追溯到 2012 年。

諾貝爾物理學獎得主 Frank Wilczek 提出:「時間晶體經歷週期性運動,每隔一段時間就會回到最初的形態。」

同時,時間晶體不需要輸入,但能一直保持週期性運動,因為這個系統處於超穩定的平衡狀態。不過遺憾的是,在 2014 年,加州大學柏克萊分校和東京大學的研究人員發表的論文,證明了這個想法是無法被實現的。

之後,在 2015 年的一篇論文中,普林斯頓大學和馬克思·普朗克研究所的研究人員提出了一種新的物相結構(pi spin-glass phase),即第一個多體非平衡相。該研究基於一種週期性驅動的 Floquet 系統。比如用特定頻率的雷射光刺激晶體,其中雷射光的強度,以及它對系統的影響強度會發生週期性的變化。

他們在計算和模擬中發現,當用雷射光以一種特定的方式刺激一個局域化自旋鏈時,它們會來回翻轉,在兩個不同的多體局域化狀態之間循環往來,而不會從雷射光中吸收任何淨能量。

緊接著,在 2016 年,加利福尼亞大學聖巴巴拉分校和微軟的研究人員根據 pi spin-glass phase 提出了 Floquet「時間晶體」的存在。Floquet「時間晶體」在有外部能量源週期性驅動的情況下,可以表現出 Wilczek 所設想的行為。

Floquet「時間晶體」並不是處於一個熱平衡狀態的系統,而是一個多體的局部系統,它的自旋或其他部分無法進入平衡狀態。不過,儘管有雷射光或其他驅動,該系統也不會升溫,而它在局部狀態之間會無限地來回循環。

「時間晶體」到底是什麼?

為了便於理解,我們用冰塊來舉個例子。

當冰塊被放在水杯裡時,兩個獨立的實體(冰塊和液態水)就會以兩個不同的溫度相互接觸。當時間一久,水會開始變涼,冰塊則會變熱,最終,得到的就只是一杯室溫的水。

這個過程被稱為「熱平衡」。

所有其他已知的相,如剛才說的水或冰,都處於熱平衡狀態。組成它們的原子會進入環境溫度所允許的最低能量狀態,而且它們的特性不會隨時間而改變。

「時間晶體」則是第一個「非平衡」相,即使處於激發態和演化態,它仍然有秩序和完美的穩定性。

根據經典物理學,宇宙總是在向熵增的方向發展。熵增原理也可以簡要地表述為,孤立系統的熵永不減小。根據熵增原理,不可逆絕熱過程總是向著熵增加的方向進行的,而可逆絕熱過程則總是沿著等熵線進行的。

而理論上,「時間晶體」的熵可以始終保持不變。

延伸閱讀>>透過「時間晶體」,量子電腦有望在絕對零度以外的環境運作!

時間晶體有什麼特性?

晶體結構在物理世界中的形成是因為,不管出於什麼基本的科學原因,其中的原子「想要」存在於某些確切的點。

「時間晶體」則是物質的一個新階段,就像有一片雪花在兩種不同的構型之間不斷來回循環,這一刻是七角晶格,下一刻是十角晶格。

神奇之處在於,當「時間晶體」在兩種不同構型之間來回循環時,它們不會損失或使用任何能量。

用蛋糕舉個例子,「時間晶體」可以具有一個蛋糕,也可以吃完這個蛋糕;同時,「時間晶體」可以從吃完蛋糕的狀態,循環到仍有蛋糕的狀態。

理論上,「時間晶體」可以永遠這樣做。

最重要的是,「時間晶體」可以在一個孤立的系統中做到這一點。這意味著他們可以吃下蛋糕,然後神奇地讓它永遠重複出現,而不需要使用任何燃料或能量。

時間晶體的應用有望破解「量子運算」難題

時間晶體可能是量子運算需要的奇蹟。

量子電腦被認為是可以用來解決真正困難的問題。

然而不幸的是,建造它們很難,維護它們很難,讓它們做任何事情都很難,甚至更難解釋它們給出的結果。

這是因為有一種叫做「退相干」(decoherence)的東西,它的作用很像熵。

量子電腦由「量子位元」組成,而量子位元具有量子力學的一個有趣的特徵:它們在被觀察時的行為與它們在不被觀察時不同。

這也就使得對量子位元狀態的任何直接測量(讀取電腦的輸出)變得困難。

但「時間晶體」是連續的。因此,把「時間晶體」放在量子電腦內,用它們來進行運算處理,有可能起到一個令人難以置信的重要作用:確保量子的相干性。

不過這只是達成量子運算的一個小進步。Google 所做的,是證明人類有製造「時間晶體」的可能。

那麼,為什麼這如此令人興奮呢?如果 Google 真的創造出了時間晶體,它可能會加速量子運算突破的時間表,從「也許永遠不會」到「也許幾十年內」。

Google 論文傳送門

近年量子電腦的重大發現

量子電腦商業化的重大突破:人類首次在量子運算晶片上運行量子作業系統
量子電腦遇到瓶頸?MIT 實驗發現,「宇宙射線」會影響量子運算的性能
微軟開放 Azure Quantum 量子運算平台,還教大家使用 Q# 寫量子程式

(本文經 新智元 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈100多位作者聯手!谷歌用量子計算機造出「時間晶體」,挑戰熱力學第二定律〉。首圖來源:Shutterstock)

參考資料:The Next WebQuantamagazine