澳大利亞的物理學(xué)家們已經(jīng)對半個地球以外的量子計算機進(jìn)行了編程，以制造或至少模擬出一個創(chuàng)紀(jì)錄的時間晶體，即一個由量子粒子組成的系統(tǒng)，在時間上鎖定了一個永久的循環(huán)，有點類似于實際晶體中原子的重復(fù)空間模式。

新的時間晶體由57個量子粒子組成，是去年Google公司科學(xué)家模擬的20個粒子時間晶體兩倍多。這項工作顯示了量子計算機模擬復(fù)雜系統(tǒng)的能力，否則這些系統(tǒng)可能只存在于物理學(xué)家的理論中。時間晶體的概念出現(xiàn)在10年前，當(dāng)時麻省理工學(xué)院獲得諾貝爾獎的理論物理學(xué)家弗蘭克-威爾切克對普通晶體引人注目的原子空間模式進(jìn)行了思考。這個圖案從何而來？它不是由原子之間的力的方程式明確規(guī)定的，這似乎允許任何原子以相等的概率出現(xiàn)在任何地方。相反，如果原子充分冷卻，它就會自發(fā)出現(xiàn)。一旦有幾個原子相互依偎在一起，那么下一個原子的位置就變得可預(yù)測了，而且出現(xiàn)了一種只隱含在力中的模式。

威爾切克想知道，類似的事情是否會在時間上發(fā)生。他設(shè)想了一個量子粒子系統(tǒng)，通過不隨時間變化的力量相互作用，以某種方式設(shè)法執(zhí)行一些循環(huán)進(jìn)化，甚至在其能量最小的狀態(tài)下。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這是不可能的。然而，在2016年，兩個不同的小組通過考慮一個被一些外部刺激反復(fù)刺激的系統(tǒng)，恢復(fù)了這個概念。他們發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它可以鎖定為一種隨時間變化的模式，以不同于刺激的、較低的頻率重復(fù)進(jìn)行。這種較低頻率的反應(yīng)是時間晶體的特征。

該系統(tǒng)由一串微小的量子機械磁鐵組成，這些磁鐵可以向上、向下，或者，由于量子力學(xué)的奇怪規(guī)則，可以同時指向兩個方向。在鏈中，相鄰的磁鐵傾向于向相反的方向?qū)R，以降低它們的能量，而隨機選擇的局部磁場使每個磁鐵更傾向于指向一個方向或另一個方向。穩(wěn)定的磁脈沖流也周期性地將磁鐵從上往下翻轉(zhuǎn)，反之亦然。這個想法是，在適當(dāng)?shù)臈l件下，任何配置的磁鐵都會反復(fù)轉(zhuǎn)動，每兩個脈沖一次。實驗者已經(jīng)在從鉆石中的電子到陷阱中的離子到量子計算機中的量子比特或量子比特等系統(tǒng)中證明了這個想法。

現(xiàn)在，墨爾本大學(xué)的理論家Philipp Frey和Stephan Rachel提供了一個更大的量子比特演示。他們利用美國IBM公司建造和運行的量子計算機，遠(yuǎn)程進(jìn)行了模擬?？梢砸淮涡栽O(shè)置為0、1或1和0的量子比特，可以被編程為像磁鐵一樣進(jìn)行互動。研究人員發(fā)現(xiàn)，對于它們互動的某些設(shè)置，57個量子比特的任何初始設(shè)置，如01101101110......，都保持穩(wěn)定，每兩個脈沖就回到它的原始狀態(tài)。乍一看，這一觀察結(jié)果似乎有點不盡人意。畢竟，如果磁鐵沒有相互作用，每個脈沖都會將它們翻轉(zhuǎn)180°，正好產(chǎn)生這種半頻響應(yīng)。然而，使該系統(tǒng)成為時間晶體的原因是磁鐵之間的相互作用穩(wěn)定了該模式，這使得該系統(tǒng)不受缺陷的影響，例如脈沖不夠長，無法將自旋全部翻轉(zhuǎn)過來。這確實是一個由許多體的相互作用所穩(wěn)定的物質(zhì)階段。

奇怪的是，僅僅提高磁體相互作用的強度是不夠的。這些相互作用還必須在一對鄰居之間隨機變化。如果所有的磁鐵都以相同的強度相互作用，那么如果一個磁鐵出錯，它可能會導(dǎo)致鏈上的其他磁鐵也翻轉(zhuǎn)錯誤。雷切爾說，這種隨機性實際上使這種錯誤不會擴散，并穩(wěn)定了時間晶體。