人們?nèi)粘Ｊ煜さ木w，比如食鹽、礦石等，構(gòu)成它們的原子在空間排列上呈一定的周期性變化，而時間晶體試圖把晶體的特征拓展到時間維度，它在時間上也呈現(xiàn)一定的周期性變化——這是2012年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、麻省理工學(xué)院教授弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）曾提出時間晶體的構(gòu)想。圍繞時間晶體這一概念，一些重要的理論認(rèn)知和實驗探索相繼涌現(xiàn)。
7月21日，《自然》雜志發(fā)表了由浙江大學(xué)物理學(xué)院王震、王浩華研究組與清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈研究組等合作的研究成果，科研人員在超導(dǎo)量子芯片上首次采用全數(shù)字化量子模擬方式實現(xiàn)了一種全新的物質(zhì)狀態(tài)——拓?fù)鋾r間晶體。
論文通訊作者之一、浙大物理學(xué)院王震研究員介紹，拓?fù)鋾r間晶體是一種新的非平衡態(tài)物質(zhì)，研究人員成功觀測到了它的邊緣因拓?fù)浔Ｗo(hù)而呈現(xiàn)出離散時間晶體的行為（Floquet對稱保護(hù)拓?fù)湎啵?。這一研究表明，超導(dǎo)量子芯片上使用數(shù)字化量子模擬的方法，有望被用于探索更多的物理學(xué)前沿問題。
尋找時間晶體過程中另辟蹊徑
根據(jù)聯(lián)合團(tuán)隊繪制的數(shù)字量子模擬拓?fù)鋾r間晶體概念圖顯示，超導(dǎo)量子芯片內(nèi)部好比一個多姿多彩的量子世界，科學(xué)家在這個量子世界中構(gòu)建新奇的拓?fù)鋾r間晶體：規(guī)則排布的晶體代表保護(hù)拓?fù)涞膶ΨQ性，旋轉(zhuǎn)的指針代表時間維度，中間不斷流出的數(shù)字代表數(shù)字模擬……
關(guān)于時間晶體，在理論物理方面，有科學(xué)家曾提出離散時間晶體的概念，并提出了在一類非平衡態(tài)系統(tǒng)——量子多體局域化系統(tǒng)中“創(chuàng)造”時間晶體的理論模型；在實驗方面，2017年-2018年年間，國際上分別有研究團(tuán)隊在離子阱平臺、金剛石色心平臺和核磁共振量子平臺上實現(xiàn)了離散時間晶體。
類比鐘表的指針轉(zhuǎn)過一圈后又會回到初始的位置，時間晶體的特殊之處在于，它的周期性重復(fù)是自然且穩(wěn)定的“基態(tài)”，即物質(zhì)處于能量最低時的狀態(tài)。王震解釋說，“可以理解為時間晶體的‘天性’就是周期性變化的，類似于頻閃或者呼吸。而且并不需要像鐘表運行那樣需要消耗能量?！?/span>
兩年前，清華大學(xué)鄧東靈教授開始構(gòu)思一種新的時間晶體，嘗試將拓?fù)涞母拍钜霑r間晶體，通過與浙大超導(dǎo)量子計算團(tuán)隊開展合作，嘗試在超導(dǎo)量子芯片上創(chuàng)造這類全新的時間晶體。
“常規(guī)的時間晶體已在某些實驗平臺中實現(xiàn)，我們想嘗試別人沒有做過的。當(dāng)清華團(tuán)隊提出想做‘拓?fù)鋾r間晶體’的想法時，我們覺得很有吸引力，我們的超導(dǎo)量子計算平臺來可以試一試。”王震說。
聯(lián)合團(tuán)隊基于浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心量子計算創(chuàng)新工坊發(fā)布的“天目1號” 超導(dǎo)量子芯片開展實驗。該芯片由研究團(tuán)隊依托于浙江大學(xué)微納加工中心自主制作，芯片上比特平均相干時間破一百微秒，達(dá)到國際先進(jìn)水平，采用較易擴(kuò)展的近鄰連通架構(gòu)，具備更高的編程靈活度，以執(zhí)行更多種類的量子算法，可以應(yīng)用于更多研究領(lǐng)域。
打磨“全數(shù)字化模擬”這一利器?
近年來，在解決經(jīng)典計算機(jī)無法勝任的復(fù)雜問題方面，量子計算顯示出越來越強(qiáng)大的能力?？茖W(xué)家認(rèn)為，在通向“通用型量子計算”的漫長道路上，首先會出現(xiàn)一批“專門型量子計算”， 幫助科學(xué)家研究特定的、專門的現(xiàn)象和問題。
王震介紹，量子計算是通過在量子比特上執(zhí)行邏輯操作，也就是量子門實現(xiàn)的。不同量子門組合成不同的算法“積木”，用于搭建科學(xué)家心目中的“建筑”。在合作研究中，理論物理學(xué)者擔(dān)著建筑師的角色，設(shè)計 “積木”的組合方式，浙大研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)打造通用性更高的量子“積木”。
論文共同第一作者、清華大學(xué)交叉信息研究院博士生蔣文杰說：“一般來講，模擬量子多體物質(zhì)的演化過程需要許多復(fù)雜的量子‘積木’，我們根據(jù)模型的物理特性，提出了一種用最少的‘積木’造房子的方法，這樣在實驗上就更容易實現(xiàn)?！?/span>
“當(dāng)要解決具體的問題時，只需要調(diào)用組合不同的‘積木’，而不需要更換芯片?！闭撐墓餐谝蛔髡?、浙大物理學(xué)院博士生張敘認(rèn)為，數(shù)字化量子模擬是一條通往通用量子計算的必經(jīng)之路。
在評估鄧東靈研究組提出的構(gòu)思后，浙大研究團(tuán)隊首次嘗試了 “全數(shù)字化量子模擬”的實驗方案。在26量子比特的超導(dǎo)量子芯片上，通過操作高達(dá)240層深度的量子門用于實現(xiàn)合作者的構(gòu)思。這一比“類比量子模擬”通用性更強(qiáng)的實驗方案，使用超導(dǎo)量子芯片具有更高的編程靈活度，以及更高的量子門精度，以執(zhí)行更多種類的量子算法。
“這項研究涉及時間晶體、拓?fù)?、量子多體物質(zhì)等許多復(fù)雜概念，使用類比模擬計算或許難以實現(xiàn)模擬任務(wù)。而浙大的實驗平臺目標(biāo)是正好是通用的，可以滿足我們的需要。從理論上講，數(shù)字化模擬可以適用于許多物理系統(tǒng)的研究，而不限于某個系統(tǒng)。”蔣文杰說。
鏈狀晶體“首尾”周期性呼應(yīng)
通過全數(shù)字化量子模擬，聯(lián)合團(tuán)隊首次成功模擬了一個26個“準(zhǔn)粒子”組成的鏈狀拓?fù)鋾r間晶體。在退相干時間內(nèi)，處于邊緣的量子比特自旋隨驅(qū)動周期性的關(guān)聯(lián)響應(yīng)，這種響應(yīng)對初始狀態(tài)完全不敏感，呈現(xiàn)了受拓?fù)浔Ｗo(hù)的魯棒性。通過調(diào)制系統(tǒng)擾動，實驗成功刻畫該拓?fù)湎嗯c平庸熱化相的邊界。
聯(lián)合團(tuán)隊通過繪制26個量子比特組成的鏈狀拓?fù)鋾r間晶體演化圖解釋道，首尾兩個“粒子”的自旋是長程糾纏的，它們會同時翻轉(zhuǎn)并保持很長時間。在不同的時刻來看，首尾都會出現(xiàn)同時翻轉(zhuǎn)和同時還原，并且周期為系統(tǒng)驅(qū)動的兩倍。而中間的“粒子”則沒有穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)。這一拓?fù)涞男再|(zhì)是來源于受到對稱性的保護(hù)。
張敘對拓?fù)鋾r間晶體的演化過程做了生動的比喻：“有點類似于一排小朋友聽著耳機(jī)轉(zhuǎn)圈圈，每個小朋友除了根據(jù)自己聽到的音樂節(jié)奏轉(zhuǎn)圈圈，還要三三兩兩地合作完成雜技動作。這些特別設(shè)計的動作具有拓?fù)湫再|(zhì)，也通過量子效應(yīng)將首尾兩個小朋友的舞蹈‘糾纏’起來，即使音樂的節(jié)奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個小朋友存在穩(wěn)定的 ‘默契’，周期性地呈現(xiàn)某種呼應(yīng)?！?/span>
蔣文杰解釋說，時間晶體的本質(zhì)是時間平移對稱性被破壞，而在聯(lián)合團(tuán)隊構(gòu)造的系統(tǒng)則具有拓?fù)湫?，鏈的邊緣兩端和?nèi)部呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)，只有鏈的兩端呈現(xiàn)出時間平移性的破壞。
研究團(tuán)隊認(rèn)為，這次拓?fù)鋾r間晶體的成功模擬，證明在超導(dǎo)量子芯片上使用數(shù)字化量子模擬的可行性，它將啟發(fā)人們繼續(xù)在超導(dǎo)量子計算平臺探索更多新奇的新物質(zhì)、新現(xiàn)象。下一步，研究團(tuán)隊將繼續(xù)拓展量子芯片的規(guī)模和性能，以模擬性質(zhì)更新、尺度更廣、物理內(nèi)涵更豐富的量子問題，并為量子算法的發(fā)展和應(yīng)用探索提供基礎(chǔ)平臺。
