在一篇新的研究论文中，谷歌科学家声称已将量子处理器用于一个有用的科学应用：观察真正的时间晶体。

　　如果“时间水晶”听起来很科幻，那是因为它们确实如此。正如研究人员所说，时间晶体不亚于一种新的“物质相”，多年来，它已经被理论化为一种可能加入固体、液体、气体、晶体等行列的新状态。目前该论文仍处于预印阶段，仍需要同行评审。

　　时间晶体也很难找到。但谷歌的科学家们现在相当兴奋地说，他们的结果建立了一种“可扩展的方法”来研究当前量子处理器上的时间晶体。

　　理解为什么时间晶体很有趣需要一些物理学背景——特别是热力学第二定律的知识，该定律指出系统自然倾向于处于一种称为“最大熵”的状态。

　　举个例子：如果你将一些牛奶倒入咖啡杯中，牛奶最终会溶解在整个咖啡中，而不是停留在顶部，从而使整个系统达到平衡。这是因为让咖啡随机散布在整个咖啡中的方式比让咖啡以更有序的方式坐在杯子顶部的方式要多得多。

　　正如热力学第二定律所描述的，这种不可抗拒的热平衡驱动反映了这样一个事实，即所有事物都倾向于朝着不太有用的随机状态移动。随着时间的推移，系统不可避免地退化为混沌和无序——也就是熵。

　　另一方面，时间晶体无法达到热平衡。它们并没有慢慢地退化为随机性，而是陷入了两种高能配置中，在它们之间切换——这种来回的过程可以永远持续下去。

　　为了更好地解释这一点，伯明翰大学物理与天文学院讲师Curt von Keyserlingk没有参与谷歌的最新实验，他从对未来本科生的介绍性演讲中提取了一些幻灯片。“他们通常假装理解，所以它可能有用，”von Keyserlingk 警告。

　　它从一个思想实验开始：在一个与宇宙其他部分隔离的封闭系统中取出一个盒子，装入几十个硬币并摇晃它一百万次。随着硬币相互翻转、翻滚和弹跳，它们会随机移动位置并变得越来越混乱。打开盒子时，预计你会看到大约一半的硬币正面朝上，一半朝下。

　　实验开始时硬币朝上多还是朝下多并不重要：系统忘记了初始配置是什么，并且随着摇晃变得越来越随机和混乱。

　　这个封闭系统，当它被转化为量子域时，是尝试寻找时间晶体的完美环境，也是迄今为止唯一已知的。“我们在封闭系统中设想的唯一稳定时间晶体是量子力学的，”von Keyserlingk说。

　　进入谷歌的量子处理器Sycamore， 它以实现量子霸权而闻名，现在正在寻找某种有用的量子计算应用程序。

　　根据定义，量子处理器是复制量子力学系统的完美工具。在这个场景中，谷歌的团队用一个封闭系统中向上和向下旋转的量子位来代表盒子中的硬币；他们没有摇动盒子，而是应用了一组特定的量子操作，可以改变量子位的状态，他们重复了很多次。

　　这就是时间晶体无视所有期望的地方。在经过一定数量的操作或震动后查看系统，会发现量子位的配置不是随机的，而是看起来与原始设置非常相似。

　　“构成时间水晶的第一个要素是它记得它最初在做什么。它不会忘记，”von Keyserlingk说。“盒装硬币系统会忘记，但时间水晶系统不会。”

　　它并不止于此。摇动系统偶数次，您将获得与原始配置相似的配置 - 但摇动奇数次，您将获得另一个设置，其中尾部已翻转为正面和反面-相反。

　　而且无论系统上执行多少操作，它总是会翻转，在这两种状态之间定期来回切换。

　　科学家称这是时间对称性的突破——这就是时间晶体被称为时间晶体的原因。这是因为为刺激系统而执行的操作总是相同的，而响应只是每隔一次震动就会出现。

　　“在谷歌的实验中，他们在这个自旋链上做一组操作，然后他们一次又一次地做完全相同的事情。他们在第100步做同样的事情，如果他们走这么远，”von Keyserlingk 说。

　　“因此，他们使系统受到一组具有对称性的条件的影响，但系统的响应方式却打破了这种对称性。它每两个周期而不是每个周期都相同。这就是使它真正成为时间晶体的原因。”

　　从科学的角度来看，时间晶体的行为令人着迷：与其他所有已知系统相反，它们不会趋向于无序和混乱。不像盒子里的硬币，它们会混在一起并以大约一半的正面和一半的反面沉淀，它们通过陷入一种特殊的时间晶体状态来违反熵定律。

　　换句话说，它们违反了热力学第二定律，该定律本质上定义了所有自然事件的方向。

　　这样的特殊系统不容易观察到。自2012年获得诺贝尔奖的麻省理工学院教授 Frank Wilczek开始思考时间晶体以来，时间晶体一直是一个令人感兴趣的话题。此后，该理论多次遭到反驳、争论和反驳。

　　迄今为止，已经进行了多次尝试来创建和观察时间晶体，并取得了不同程度的成功。就在上个月，荷兰代尔夫特理工大学的一个团队 发表了一份预印本，显示他们已经在钻石处理器中构建了一个时间晶体，尽管该系统比谷歌声称的系统要小。

　　这家搜索巨头的研究人员使用具有20个量子比特的芯片作为时间晶体——根据von Keyserlingk的说法，这远远超过了迄今为止所实现的，也超过了传统计算机所能实现的。

　　von Keyserlingk解释说，使用笔记本电脑可以很容易地模拟大约10个量子位。添加更多，很快就会达到当前硬件的极限：每个额外的量子位都需要指数级的内存。

　　这位科学家没有说这个新实验是量子霸权的展示。von Keyserlingk说：“对于我来说，它们还不够远，无法用经典计算机来实现，因为可能有一种聪明的方法可以将它放在我没有想到的经典计算机上。” .

　　“但我认为这是迄今为止最有说服力的时间晶体实验证明。”

　　Google实验的范围和控制意味着可以更长时间地观察时间晶体、进行详细的测量集、改变系统的大小等等。换句话说，这是一个可以真正推动科学发展的有用演示——因此，它可能是展示量子模拟器在推动物理学发现方面发挥核心作用的关键。

　　当然，有一些警告。与所有量子计算机一样，谷歌的处理器仍然存在退相干问题，这会导致量子比特的量子态衰减，这意味着随着环境干扰系统，时间晶体的振荡不可避免地消失。

　　然而，预印本认为，随着处理器变得更有效地隔离，这个问题可以得到缓解。

　　有一件事是肯定的：时间晶体不会很快出现在我们的生活里，因为科学家们还没有为它们找到明确的有用应用。因此，谷歌的实验不太可能是探索时间晶体的商业价值。相反，它展示了可能是量子计算的另一个早期应用，以及该公司在竞争激烈的新发展领域的技术实力的又一次证明。