量子電腦模擬出世界上最大時間晶體

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【大紀元2022年03月30日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)科學家最近用量子電腦模擬運行了一個時間晶體,是至今為止世界上規模最大的一個,展示了量子電腦在模擬複雜理論方面的強大能力。

什麼叫做用量子電腦模擬時間晶體?沒錯,兩者都是很抽象的物體。確切地說,它們都是量子力學範疇的物體。就像這個物質空間的一切物質都需要用這個空間的工具去製造一樣,科學家現在需要用量子世界的工具製造量子世界的物體。

量子電腦是使用量子力學規律建造的電腦。量子力學描述的是電子這一層級物質世界的規律。在這一層級的微觀世界中,如果你能看到它的實際情況,會發現觀測結果往往和它們的實際活動不一致。這種概念就像著名的薛定諤貓的思想實驗描述的那樣,盒子裡面的貓在某一個時間點有它確定的生死狀態,但是沒有打開盒子之前,你都無法知道。

時間晶體也是量子力學世界中的一種物體。早在十年前,理論物理學家弗蘭克·威爾切克(Frank Wilczek)構想了時間晶體的概念,認為存在一種物質,裡面的粒子所處的狀態在按照一定時間規律變換和重複。通常所謂的晶體,就是裡面的原子按照特定規律重復排布的物質,像鹽、雪花等物體,可以理解為內部的結構在空間上重復相同的規律。時間晶體裡面也有特定重復的結構,但是它按照一定的時間規律重復,可以理解為內部的結構在時間上重復相同的規律,所以被稱為時間晶體。

理論上說,這種物質又可以有很多不同的具體形式,比如內部的原子可以不停歇地振動、自旋,或先朝一個方向運動,之後朝另一個方向運動,但是這可以在不需要耗費能量的情況下進行,展現一種永動的神奇狀態。這打破了熱力學認知。

但是這沒關係,現在人們能夠接受的、打破常規認知的物體越來越多。比如超導體就是常聽說的一種違背常規認知的物體。超導體在極低溫或極高壓的情況下,將出現電阻為零的模式。超導體也是量子力學世界內的物體。

威爾切克在2012年提出時間晶體這種物質的概念後,直到2016年,一組科學家才設計出第一個構建時間晶體的藍圖,設計出其中一種形式的時間晶體。

當時,科學家發現,可以用量子比特模擬時間晶體的存在形態。比特是現代電腦的基礎信息單位,只有0和1兩種狀態;而量子比特就是量子電腦的基礎信息單位,除了0和1,還有量子的疊加態。當時,科學家用20個量子比特的芯片模擬了他們設計的時間晶體。

3月2日發表於《科學》(Science)子刊《科學進展》(Science Advances)上的一份研究,利用57個量子比特模擬了一個時間晶體,是之前模擬規模的近三倍。

具體地說,澳大利亞墨爾本大學(University of Melbourne)的幾位物理學家連線控制位於美國的一個IBM量子電腦,構建了這個時間晶體系統,能夠展現無需能量,按照時間週期重復某種循環的狀態。

研究者表示,這項實驗展示了時間晶體令人興奮的研究前景,特別是作為量子電腦存儲器方面的應用。不過還有很多工作要做。這個系統目前最多只能完成50次循環。◇

責任編輯:葉紫微

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