全球都在努力设计一种能够利用量子力学力量来执行前所未有的复杂计算的计算机。虽然强大的技术障碍仍然阻碍着创造出这样一台量子计算机，但今天的早期量子计算原型机仍然能够取得非凡的成就。

例如，用它来创造一种被称为“时间晶体”的新物质相。它就像水晶结构会在空间中重复一样，时间水晶也会在时间中重复，而且重要的是，它可以无限地重复下去，无需任何进一步的能量输入——它就像一个没有电池就可以永远运行的时钟。探索实现这一物质相一直是理论和实验物理中的一个长期挑战，但现在科学家们终于取得了成果。

在11月30日发表在《自然》杂志上的一篇研究中，来自斯坦福大学、谷歌量子人工智能、马克斯普朗克复杂系统物理研究所和牛津大学的科学家团队详细介绍了他们使用谷歌Sycamore量子计算硬件来创建时间晶体。

斯坦福大学的博士后学者、论文共同第一作者Matteo Ippoliti表示：“总体而言，我们正在使用本应成为未来量子计算机的设备，并将它们视为复杂的量子系统。我们不是用来计算，而是将计算机作为一个新的实验平台来工作，以实现和检测新的物质相。”

对于该团队来说，他们这一成就的兴奋之处不仅在于创造了一个新的物质相，还在于开辟了探索凝聚态物理领域新机制的机会，凝聚态物理是研究系统中由许多物体的集体相互作用所带来的新现象和性质。这种系统的相互作用可能比单个对象的属性要丰富得多。

斯坦福大学物理学助理教授、该论文的资深作者Vedika Khemani说：“时间晶体是一个物质的新型非平衡量子相的突出例子。虽然我们对凝聚态物理的大部分理解都基于平衡系统，但这些新的量子器件为我们提供了一个迷人的窗口，让我们可以了解多体物理学中的新非平衡状态。”

激光的周期性脉冲建立了动态的特定节奏。通常，自旋的“舞蹈”应该与这种节奏同步，但它在时间晶体中却不是这样的。相反，自旋在两种态之间翻转，只有在被激光踢两次后才能完成一个循环。这意味着系统的“时间平移对称性”被打破。

对称性在物理学中扮演着重要的角色，但它经常被打破，并解释了规则晶体、磁铁和许多其他现象的起源；然而，时间平移对称性能脱颖而出，是因为它与其他的对称性不同，它不能在平衡状态下被打破。周期性被踢是一个漏洞，但它使时间晶体成为可能。

振荡周期加倍是不寻常的，但并非史无前例。长寿命振荡在少粒子系统的量子动力学中也很常见。时间水晶的独特之处在于它是一个由数百万个事物组成的系统，这些事物表现出这种协调一致的行为，而且没有任何能量可以流入或流出。

牛津大学物理学教授、该论文的合著者Sondhi说：“这是一个完全鲁棒的物质相，你不需要微调参数或状态，但你的系统仍然是量子的。没有能量的供给，没有能量的流失，它会永远持续下去，它涉及了许多强相互作用的粒子。”

虽然这听起来很接近“永动机”，但仔细观察就会发现时间晶体并没有违反任何物理定律。熵(系统中无序的一种度量)随着时间的推移保持不变，通过熵不会减少而勉强满足了热力学第二定律。

对于Khemani和她的合作者来说，获得创造“时间晶体”成功的最后一步是与谷歌Quantum AI的团队合作。该小组一起使用了谷歌的Sycamore量子计算硬件，他们使用量子比特对20次“自旋”进行了编程。

由于量子计算机的特殊功能，研究人员能够证实他们对真实时间晶体的说法。由于(不完美的)量子设备的规模有限和相干时间短意味着他们的实验在规模和持续时间上是有限的，因此只能观察到几百个周期而不是无限期的时间晶体振荡。研究人员设计了各种协议来评估其创造的稳定性，包括在时间上向前和向后运行模拟并缩放其大小。

理想时间晶体的一个关键特征是它显示出了来自所有态的无限振荡。验证这种对状态选择的鲁棒性是一项关键的实验挑战，研究人员设计了一种协议，只需运行一次机器即可探测超过一百万个时间晶体的状态，只需要几毫秒的运行时间。这就像从多个角度观察物理晶体以验证其重复结构。

谷歌研究员、该论文的共同主要作者Xiao Mi说：“我们量子处理器的一个独特之处在于它能够创建高度复杂的量子态。这些态允许有效的验证物质的相结构，而无需调查整个计算空间——否则这是一项棘手的任务。”

从基本层面上来说，创造一个新的物质相无疑是令人兴奋的。此外，这些研究人员能够这样做的事实表明，量子计算机在计算以外的应用中也越来越有用。谷歌研究员、该论文的高级作者Pedram Roushan说：“我很乐观，有了更多更好的量子比特，我们的方法可以成为研究非平衡动力学的主要方法。”

Ippoliti说：“我们认为目前量子计算机最令人兴奋的用途是作为基础量子物理学的平台。凭借这种系统的独特功能，你有望发现一些你没有预料到的新现象。”（编译:Qtech）