量子电脑模拟出世界上最大时间晶体

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【大纪元2022年03月30日讯】(大纪元记者高文森编译报导)科学家最近用量子电脑模拟运行了一个时间晶体,是至今为止世界上规模最大的一个,展示了量子电脑在模拟复杂理论方面的强大能力。

什么叫做用量子电脑模拟时间晶体?没错,两者都是很抽象的物体。确切地说,它们都是量子力学范畴的物体。就像这个物质空间的一切物质都需要用这个空间的工具去制造一样,科学家现在需要用量子世界的工具制造量子世界的物体。

量子电脑是使用量子力学规律建造的电脑。量子力学描述的是电子这一层级物质世界的规律。在这一层级的微观世界中,如果你能看到它的实际情况,会发现观测结果往往和它们的实际活动不一致。这种概念就像著名的薛定谔猫的思想实验描述的那样,盒子里面的猫在某一个时间点有它确定的生死状态,但是没有打开盒子之前,你都无法知道。

时间晶体也是量子力学世界中的一种物体。早在十年前,理论物理学家弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)构想了时间晶体的概念,认为存在一种物质,里面的粒子所处的状态在按照一定时间规律变换和重复。通常所谓的晶体,就是里面的原子按照特定规律重复排布的物质,像盐、雪花等物体,可以理解为内部的结构在空间上重复相同的规律。时间晶体里面也有特定重复的结构,但是它按照一定的时间规律重复,可以理解为内部的结构在时间上重复相同的规律,所以被称为时间晶体。

理论上说,这种物质又可以有很多不同的具体形式,比如内部的原子可以不停歇地振动、自旋,或先朝一个方向运动,之后朝另一个方向运动,但是这可以在不需要耗费能量的情况下进行,展现一种永动的神奇状态。这打破了热力学认知。

但是这没关系,现在人们能够接受的、打破常规认知的物体越来越多。比如超导体就是常听说的一种违背常规认知的物体。超导体在极低温或极高压的情况下,将出现电阻为零的模式。超导体也是量子力学世界内的物体。

威尔切克在2012年提出时间晶体这种物质的概念后,直到2016年,一组科学家才设计出第一个构建时间晶体的蓝图,设计出其中一种形式的时间晶体。

当时,科学家发现,可以用量子比特模拟时间晶体的存在形态。比特是现代电脑的基础信息单位,只有0和1两种状态;而量子比特就是量子电脑的基础信息单位,除了0和1,还有量子的叠加态。当时,科学家用20个量子比特的芯片模拟了他们设计的时间晶体。

3月2日发表于《科学》(Science)子刊《科学进展》(Science Advances)上的一份研究,利用57个量子比特模拟了一个时间晶体,是之前模拟规模的近三倍。

具体地说,澳大利亚墨尔本大学(University of Melbourne)的几位物理学家连线控制位于美国的一个IBM量子电脑,构建了这个时间晶体系统,能够展现无需能量,按照时间周期重复某种循环的状态。

研究者表示,这项实验展示了时间晶体令人兴奋的研究前景,特别是作为量子电脑存储器方面的应用。不过还有很多工作要做。这个系统目前最多只能完成50次循环。◇

责任编辑:叶紫微

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