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科學家確認「不可能的」時間晶體真的存在,或致量子計算機的突破


科學家確認「不可能的」時間晶體真的存在,或致量子計算機的突破



物理學家創造了一種新的物質形態,該物質的原子不僅在空間上呈現周期性結構,同時在時間上亦是如此。科學家將其命名為「時間晶體」——曾被認為不可能存在的物質。然而現在,兩個獨立研究已經成功創造出了時間晶體,並發表於同行評審的雜誌上。物理學家表示,時間晶體打開了一個全新的非平衡相物質世界,並且有一天可被用於開發超級安全的量子計算機。

雖然諸如冰或金剛石等晶體的原子在空間上按一定周期性結構排列,但是時間晶體的晶體結構還在時間維度上重複。根據研究人員,時間維度上的重複似乎違反了大自然規律。


在馬里蘭大學聯合量子研究所(JQI)的實驗中,研究人員與加州大學伯克利分校的一個小組合作,通過誘導在一條十個鐿離子鏈中的三種類型激光碟機動行為來創造時間晶體。



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他們使用激光脈衝來轟擊離化態原子來創造一個磁場,而用另一束激光來翻轉原子的自旋方向。然後一遍又一遍地重複這個過程,最終原子進入在時間上重複的翻轉模式。


並且,研究團隊發現鐿離子的翻轉周期恰好是激光碟機動周期的2倍。這真的很神奇,就像一個人每秒彈奏鋼琴鍵兩次,但聲音只出來一秒。


來自哈佛大學的第二組研究人員也與伯克利物理學家Norman Yao進行合作,他們利用人造金剛石的人工晶格開發出了時間晶體。儘管方法不同,但都成功地創造出時間晶體。兩研究成果都發表在本周的《自然》(Nature)雜誌上。


這種奇怪的時間晶體是由相互作用的原子組成,它們永遠都不會達到熱平衡狀態,不斷地在時間空間上進行重複。



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然而,研究人員解釋,僅僅重複還是不夠的。如果把一堆撞球放在一張撞球桌上,每個撞球的距離為10厘米,那這是晶體嗎?顯然不是,只要稍微搖晃撞球桌,這種結構就會土崩瓦解。為了使結構保持完整性,晶體必需要有足夠穩定的運動節奏。


時間晶體的概念誕生於2012年,由物理學家Frank Wilczek首次提出。隨著最近研究的突破,物理學家認為時間晶體對未來的量子計算也有一定幫助。參與該研究的物理學家Christopher Monroe表示,這種新的物質狀態來自於在單個原子層面的眾多量子控制之間的複雜相互作用。不過,時間晶體也可能被用於某些固態器件中,因此,對這種現象的一般理解有助於把這樣的體系引入未來的量子器件之中。


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