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來(lái)源：科技日報 食鹽、礦石等人們日常熟悉的一般晶體，構成它們的原子在空間排列上呈現周期性變化的規律。而時(shí)間晶體，也就是一種四維以上的空間晶體，其特征在時(shí)間上也呈現出周期性變化的規律。 近日，《自然》雜志發(fā)表了由浙江大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)浙大）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�？蒲腥藛T在超導量子芯片上首次采用全數字化量子模擬方式，實(shí)現了“拓撲時(shí)間晶體”這種全新的物質(zhì)狀態(tài)。 在研究中，研究人員成功觀(guān)測到了“拓撲時(shí)間晶體”的邊緣因拓撲保護而呈現出離散時(shí)間晶體的行為，即浮球（Floquet）對稱(chēng)保護拓撲相。在超導量子芯片上使用數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(wèn)題。 在尋找時(shí)間晶體過(guò)程中另辟蹊徑 聯(lián)合團隊繪制的數字量子模擬拓撲時(shí)間晶體概念圖顯示，超導量子芯片內部就像一個(gè)多姿多彩的量子世界�？茖W(xué)家們在這個(gè)量子世界中構建“拓撲時(shí)間晶體”�！巴負鋾r(shí)間晶體”規則排布的晶體代表保護拓撲的對稱(chēng)性，旋轉的指針代表時(shí)間維度，中間不斷流出的數字則代表數字模擬…… 在理論方面，關(guān)于時(shí)間晶體，有科學(xué)家曾提出離散時(shí)間晶體的概念，并提出了在一類(lèi)非平衡態(tài)系統——量子多體局域化系統中創(chuàng )造時(shí)間晶體的理論模型；而在實(shí)驗方面，近年來(lái)，有研究團隊分別在離子阱平臺、金剛石色心平臺和核磁共振量子平臺等多個(gè)平臺上實(shí)現了“離散時(shí)間晶體”。 時(shí)間晶體的特殊之處在于，它的周期性重復是自然且穩定的“基態(tài)”，即物質(zhì)處于能量最低時(shí)的狀態(tài)。浙大物理學(xué)院研究員王震解釋說(shuō)：“時(shí)間晶體并不需要像鐘表運行那樣消耗能量，其‘天性’類(lèi)似于頻閃或者呼吸，是周期性變化的�！� 兩年前，清華大學(xué)教授鄧東靈開(kāi)始構思一種新的時(shí)間晶體，即嘗試將拓撲的概念引入時(shí)間晶體。通過(guò)與浙大超導量子計算團隊合作，他嘗試在超導量子芯片上創(chuàng )造這類(lèi)全新的時(shí)間晶體�！俺Ｒ幍臅r(shí)間晶體已經(jīng)在一些實(shí)驗平臺中實(shí)現，而我們想嘗試別人沒(méi)有做過(guò)的�！蓖跽鹫f(shuō)。 聯(lián)合團隊基于浙大杭州國際科創(chuàng )中心量子計算創(chuàng )新工坊發(fā)布的“天目1號”超導量子芯片開(kāi)展實(shí)驗。該芯片依托于浙江大學(xué)微納加工中心制作，其平均比特相干時(shí)間突破100微秒，達到了國際先進(jìn)水平。該芯片采用較易擴展的近鄰連通架構，具備更高的編程靈活度，以便執行更多種類(lèi)的量子算法，具有更加廣闊的研究前景。 打磨出“全數字化模擬”利器 近年來(lái)，在解決經(jīng)典計算機無(wú)法勝任的復雜問(wèn)題方面，量子計算顯示出越來(lái)越強大的能力�？茖W(xué)家們認為，為了研究出適用范圍廣闊的“通用型量子計算”，首先要實(shí)現研究特定的、專(zhuān)門(mén)的現象和問(wèn)題“專(zhuān)門(mén)型量子計算”。 據王震介紹，量子計算是通過(guò)在量子比特上執行邏輯操作的計算，也就是通過(guò)量子門(mén)實(shí)現的計算。不同的量子門(mén)組合成不同的算法“積木”，用于搭建科學(xué)家心目中的“建筑”。在此次合作研究中，理論物理學(xué)者們承擔著(zhù)建筑師的角色，設計 “積木”的組合方式。而浙大研究團隊，則負責打造通用性更高的量子“積木”，為“建筑”的建成提供原材料。 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(shuō)：“一般來(lái)講，模擬量子多體物質(zhì)的演化過(guò)程需要許多復雜的量子‘積木’，我們根據模型的物理特性，提出了一種用最少的‘積木’造房子的方法�！� “當要解決具體的問(wèn)題時(shí)，只需要調用組合不同的‘積木’，而不需要更換芯片�！闭撐墓餐谝蛔髡�、浙大物理學(xué)院博士生張敘認為，數字化量子模擬是一條通往通用量子計算的必經(jīng)之路。 此次，浙大研究團隊首次嘗試了“全數字化量子模擬”的實(shí)驗方案。該方案在26量子比特的超導量子芯片上，通過(guò)操作高達240層深度的量子門(mén)，實(shí)現合作者的構思。相比于“類(lèi)比量子模擬”，“全數字化量子模擬”的通用性更強，具有更高的編程靈活度和量子門(mén)精度，能夠執行更多種類(lèi)的量子算法。 “從理論上講，數字化模擬可以適用于許多物理系統的研究，而不限于某個(gè)系統�！� 蔣文杰表示。 周期性呼應的首尾部鏈狀晶體 通過(guò)全數字化量子模擬，聯(lián)合團隊首次成功模擬了一個(gè)由26個(gè)“準粒子”組成的鏈狀拓撲時(shí)間晶體。在退相干時(shí)間內，處于邊緣的量子比特自旋隨驅動(dòng)周期性而關(guān)聯(lián)響應。這種響應對初始狀態(tài)完全不敏感，呈現了受拓撲保護的魯棒性，即對特性或參數攝動(dòng)的不敏感性。通過(guò)調制系統的擾動(dòng)，實(shí)驗成功刻畫(huà)了該拓撲相與平庸熱化相的邊界。 聯(lián)合團隊繪制了26個(gè)量子比特組成的鏈狀拓撲時(shí)間晶體演化圖，以便解釋該現象。首尾兩個(gè)“粒子”的自旋是長(cháng)程糾纏的，它們會(huì )同時(shí)翻轉并保持很長(cháng)時(shí)間。在不同的時(shí)刻來(lái)看，中間的“粒子”沒(méi)有穩定的關(guān)聯(lián)，而首尾的“粒子”都會(huì )出現同時(shí)翻轉和同時(shí)還原的現象，其周期為系統驅動(dòng)的兩倍。這種拓撲的性質(zhì)，來(lái)源于對稱(chēng)性的保護。 張敘對拓撲時(shí)間晶體的演化過(guò)程做了生動(dòng)的比喻：“就像一排小朋友聽(tīng)著(zhù)耳機轉圈圈，每個(gè)小朋友除了要根據自己聽(tīng)到的音樂(lè )節奏轉圈圈，還要三三兩兩地合作完成雜技動(dòng)作。這些特別設計的雜技動(dòng)作具有拓撲性質(zhì)，能通過(guò)量子效應將首尾兩個(gè)小朋友的舞蹈‘糾纏’起來(lái)。即使音樂(lè )的節奏變了，仍可以觀(guān)察到一頭一尾兩個(gè)小朋友之間存在穩定的‘默契’，也就是周期性地呈現某種呼應的現象�！� 研究團隊認為，這次拓撲時(shí)間晶體的成功模擬，證明在超導量子芯片上使用數字化量子模擬的可行性，將啟發(fā)人們在超導量子計算平臺探索更多的新物質(zhì)和新現象。下一步，研究團隊將繼續拓展量子芯片的規模和性能，以模擬性質(zhì)更新、尺度更廣、物理內涵更豐富的量子問(wèn)題，為量子算法的發(fā)展和應用提供基礎性的平臺。 |
