谷歌在量子計算機中的“時間結晶”的研究和產生的可能性

點選載入圖片

谷歌的科學家們在新的研究論文中主張，在科學應用領域活用量子處理器，觀測到了真正的

時間結晶

。

從“

時間結晶

”這個詞可能會想象出科幻小說裡的東西。實際上那是科幻小說。正如研究人員所述，

時間結晶

是一種新的“物質相”，作為有可能追加到固體、液體、氣體、結晶等相的新狀態，從幾年前開始進行理論研究。另外，該論文還處於預印本階段，目前還處於面臨同行評審的狀態。

要找出

時間結晶

可不是一般的工作。但是谷歌的科學家們興奮地表示，透過這次的成果，確立了在現在的量子處理器上推進時間結晶研究的“階段性擴大方法”。

為了理解時間結晶為何如此有趣，我們需要掌握一些物理學的知識，特別是

熱力學

第二定律。該定律表明，在孤立系統中自發過程進行時，該系統會走向被稱為“

最大熵

”的狀態，並在此穩定下來。

點選載入圖片

例如，在裝有咖啡的杯子裡倒入牛奶，牛奶不會停留在液麵的上部，而是融入整個咖啡中，最終使整個體系達到平衡狀態。這表示牛奶和咖啡的粒子隨機活動，

熵增大

。

熱力學第二定律告訴我們，趨向熱平衡狀態的這種不可逆的趨勢，直接反映了所有事物都趨向無序、隨機狀態的事實。隨著時間的流逝，系統會朝著混沌無秩序的狀態崩潰，也就是說，

熵的增大

是不可避免的。

另一方面，

時間晶體

不能穩定在熱平衡狀態。它並不是朝著隨機狀態逐漸失去秩序，而是兩種高能量狀態交替出現，並持續不斷地重複。

點選載入圖片

在伯明翰大學擔任物理和天文學授課的Curtvon Keyserlingk（沒有參加

Google

這次的實驗），對尋求易懂說明的美國ZDNet，拿出幾張面向入學希望者的入門課中使用的幻燈片“大部分的聽講者都會裝作理解的樣子。在這一點上也許會有用。”。

首先，讓我們從思考實驗開始。想象一下，在與外部世界隔離的封閉體系中的箱子裡，放入數十枚硬幣，搖了100萬次。硬幣在翻轉、翻滾、相互碰撞的過程中，其位置會隨機變化，逐漸進入無秩序狀態。之後再開啟盒子，可以期待硬幣的一半是正面的，剩下的一半是背面的。

實驗開始時有多少面朝下的硬幣或者有多少面朝上的硬幣都沒有關係。這個系統忘記了它的初始狀態，每次搖動盒子時都會變得越來越隨機和混亂。

點選載入圖片

用量子水平代替這個封閉系統為尋找時間晶體的努力提供了最佳環境。他說：“在封閉系統中預期的唯一穩定時間晶體是量子力學”。

接下來，谷歌的量子處理器“Sycamore”登場了。眾所周知，這款量子處理器實現了量子超越性，目前正在探索量子計算的一些有益用途。

顧名思義，量子處理器是模擬量子動力系統行為的完美工具，因為其工作原理本身基於量子力學。根據這種情況，谷歌的團隊將封閉系統中的硬幣表示為具有向上和向下旋轉的量子位，並且多次重複應用特定的量子運算集合，而不是搖動盒子，而是改變數子位狀態的特定量子操作。

如果是時間晶體，則可以獲得與常識性預測相反的結果。如果在特定次數的運算操作之後，即觀察到擺動箱子後的系統，則佇列位元的狀態不是隨機的，而是與初始狀態相同的結果，即隨著時間的推移，熵是不可逆的。因此，出現了違反熱力學第二定律的情況。

點選載入圖片

Keyserlingk說：“構成時間結晶的最初要素是記住最初的狀態。所以

時間結晶

不會忘記。雖然盒子裡的硬幣會忘記，但時間結晶這個體系是不會忘記的。”

不僅如此。每次搖動系統時，一部分硬幣會從正面變成背面，再從背面變成正面，當搖動次數為偶數時，會出現與原始硬幣相同的狀態，當搖動次數為奇數時，會出現不同的狀態。

無論對這個系統進行多少次運算操作，結果總是交替出現相同的狀態，在兩種狀態之間來回切換。

這被稱為“時間對稱性破缺”。這裡所說的對稱性表示的是即使系統受到特定的變化（空間的變化或時間的變化），其形態也不會發生變化的性質。例如，物質採用結晶結構的情況下，由於原子有規律地排列，空間的物理形態就會發生離散變化。這被稱為空間對稱性破缺。時間結晶之所以被命名為“結晶”，是因為有這樣的背景。

點選載入圖片

Keyserlingk說：“在谷歌的實驗中，對這一系列的自旋應用相同的運算操作，然後反覆、多次重複完全相同的操作。可以持續100次、100萬次。”

“他們給系統提供了具有對稱性的條件，但是系統還是表現出了打破對稱性的行為。不是每一個週期，而是每兩個週期都有相同的結果。這就是構成‘時間結晶’的要素。”（Keyserlingk）

從科學的觀點來看，時間結晶的行為非常有趣。與已知的其他系統不同，沒有向無秩序的混沌狀態發展的傾向。和盒子裡亂糟糟的一半正面一半反面的硬幣不同，它進入了一種特殊的時間結晶狀態，違背了熵的法則。

點選載入圖片

換句話說，時間結晶無視了熱力學第二定律。熱力學第二定律實質上定義了所有自然現象的前進方向。

迄今為止，已經有了一些實現和觀測時間結晶的嘗試，並且取得了不同程度的成果。荷蘭代爾夫特理工大學的團隊於7月發表了在鑽石處理器內實現了時間結晶的預印本論文，其規模比谷歌實現的要小。