物理学家制造出迄今为止最大的时间晶体

新的时间晶体由57个量子粒子组成，是去年Google公司科学家模拟的20个粒子时间晶体两倍多。这项工作显示了量子计算机模拟复杂系统的能力，否则这些系统可能只存在于物理学家的理论中。时间晶体的概念出现在10年前，当时麻省理工学院获得诺贝尔奖的理论物理学家弗兰克-威尔切克对普通晶体引人注目的原子空间模式进行了思考。这个图案从何而来？它不是由原子之间的力的方程式明确规定的，这似乎允许任何原子以相等的概率出现在任何地方。相反，如果原子充分冷却，它就会自发出现。一旦有几个原子相互依偎在一起，那么下一个原子的位置就变得可预测了，而且出现了一种只隐含在力中的模式。

威尔切克想知道，类似的事情是否会在时间上发生。他设想了一个量子粒子系统，通过不随时间变化的力量相互作用，以某种方式设法执行一些循环进化，甚至在其能量最小的状态下。结果发现这是不可能的。然而，在2016年，两个不同的小组通过考虑一个被一些外部刺激反复刺激的系统，恢复了这个概念。他们发现，在适当的条件下，它可以锁定为一种随时间变化的模式，以不同于刺激的、较低的频率重复进行。这种较低频率的反应是时间晶体的特征。

该系统由一串微小的量子机械磁铁组成，这些磁铁可以向上、向下，或者，由于量子力学的奇怪规则，可以同时指向两个方向。在链中，相邻的磁铁倾向于向相反的方向对齐，以降低它们的能量，而随机选择的局部磁场使每个磁铁更倾向于指向一个方向或另一个方向。稳定的磁脉冲流也周期性地将磁铁从上往下翻转，反之亦然。这个想法是，在适当的条件下，任何配置的磁铁都会反复转动，每两个脉冲一次。实验者已经在从钻石中的电子到陷阱中的离子到量子计算机中的量子比特或量子比特等系统中证明了这个想法。

现在，墨尔本大学的理论家Philipp Frey和Stephan Rachel提供了一个更大的量子比特演示。他们利用美国IBM公司建造和运行的量子计算机，远程进行了模拟。可以一次性设置为0、1或1和0的量子比特，可以被编程为像磁铁一样进行互动。研究人员发现，对于它们互动的某些设置，57个量子比特的任何初始设置，如01101101110......，都保持稳定，每两个脉冲就回到它的原始状态。乍一看，这一观察结果似乎有点不尽人意。毕竟，如果磁铁没有相互作用，每个脉冲都会将它们翻转180°，正好产生这种半频响应。然而，使该系统成为时间晶体的原因是磁铁之间的相互作用稳定了该模式，这使得该系统不受缺陷的影响，例如脉冲不够长，无法将自旋全部翻转过来。这确实是一个由许多体的相互作用所稳定的物质阶段。

奇怪的是，仅仅提高磁体相互作用的强度是不够的。这些相互作用还必须在一对邻居之间随机变化。如果所有的磁铁都以相同的强度相互作用，那么如果一个磁铁出错，它可能会导致链上的其他磁铁也翻转错误。雷切尔说，这种随机性实际上使这种错误不会扩散，并稳定了时间晶体。

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