创造时间晶体
时间:2017-12-07

  创造时间水晶 - 新闻 - 科学网络

  克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)一生都在窥探原子。他把他们安排成戒指和链子,然后用激光按摩他们,探索他们的财产,制造基本的量子计算机。去年,他决定尝试一些看起来不可能的事情:创造时间晶体。

  这个名字看起来像是从电影里神秘的医生那里借来的一件东西,但是它却植根于真实的物理学。时间晶体是假想的结构,不需要能量即可产生脉冲,就像一个不需要绕组的闹钟一样。该模式在时间上重复,类似于晶体原子在空间中重复的方式。这个想法如此具有挑战性,以至于当诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)在2012年提出这个激动人心的概念时,其他研究人员很快证明,没有办法创造这样的时间晶体

  然而,还有一个差距,另一个物理分支的研究人员已经找到了利用这个差距的方法。帕克马里兰大学的物理学家门罗和他的团队用他们为其他目的建立的原子链创造了时间晶体的版本。我想说,这在一定程度上是我们意外打的。门罗说。

  另一个由马萨诸塞州哈佛大学的研究人员领导的研究小组则独立地从肮脏的钻石中制造了水晶。今年3月在“自然”杂志上发表的两篇论文被认为是时间晶体,但并不是Wilczek最初设想的。它不像最初的想法那样神奇,但它仍然不可思议。加州大学伯克利分校的物理学家诺曼·姚(Norman Yao)和两篇文章的合着者。

  这是以前认为不可能的新命令。这非常令人兴奋。哈佛队队员维德卡·赫马尼(Vedika Khemani)说。实验物理学家们已经在考虑如何将这些令人难以置信的系统特性用于量子计算机和超灵敏磁传感器。

  休息时间

  Wilczek Dream Time Crystal是一种打破规则的方式。物理定律是对称的,因为它适用于时空的所有点。但是,许多系统挑战这种对称性。在磁铁中,原子排列他们的长链,而不是在所有的方向。在矿物晶体中,原子在空间中占据一个确定的位置,如果稍微变化,则晶体看起来不同。变化导致物理学家们称之为对称性裂缝的性质发生变化,物理学家们把这些性质称为自然磁体,超导根,甚至希格斯机制的所有部分都存在,以提供所有粒子的质量。

  Wilczek现在在2012年在瑞典斯德哥尔摩大学工作,他想知道为什么对称性不会随着时间的推移而自发地崩溃,以及是否能够构建曾经建造过的东西。他称之为时间晶体。实验室科学家将这个实体的量子版本想象成一个原子环,可以无限旋转,来回循环到原来的配置。它的特点可能在时间上无限地同步,正如晶体中原子的位置是相互依赖的。该系统可能处于最低能量状态,其活动不需要外力。实质上,它是一个永动机,但它不产生可用的能量。

  我第一次听到这个想法,可能会说这是错误的。姚明说。根据定义,处于能量最低状态的系统不会随时间变化。如果是这样,这意味着它将失去额外的能量,旋转将很快停止。但是,威尔切克相信学者们认为这个问题看起来似乎更加微妙。他说。永远的运动在量子世界中并非没有先例:理论上,超导体可以永久导电。

  当他们第一次走出加州大学伯克利分校博士生访谈室时,这些矛盾的问题就进入了渡部春树的脑海中。我想知道,我怎么能让人相信这是不可能的?渡边和日本东京大学的物理学专家Masaki Oshikawa一起,用数学的方式证明了自己的直觉。在2015年,两人提出了一个定理,表明在低能量的任何系统中不可能建立时间晶体。

  对于物理界来说,答案很清楚。这似乎是一个不应该延续的领域。门罗说。但是证据却留下了漏洞。它并不排除系统内尚未达到稳定状态的时间,也不是平衡的。理论物理学家们在世界各地开始思考如何创造一个时间晶体的选择。

  粒子汤

  这一突破发生在物理学领域的一个意想不到的角落,该领域的研究人员并没有考虑时间晶体。

  新泽西州普林斯顿大学的理论物理学家希瓦吉·松德(Shivaji Sondhi)和他的同事研究了当一个特定的孤立量子系统的相互作用的粒子组成的粒子汤反复强调时会发生什么。教科书上的物理学说,来自系统的热量增加了,变得混乱了。但在2015年,Sondhi的团队预测,在一定的条件下,他们会聚到一起,形成一个不存在均衡现象的物理状态,一系列粒子将呈现出前所未有的细微关系,时间。

  该提案吸引了加州大学圣塔芭芭拉分校的Chetan Nayak及其同事的注意,他们认为这种奇怪的,不平衡的物质形式也是一种时间形式。但是这不是Nayak的导师Wilczek的版本,它并不处于能量最低的状态,需要用传统的力量冲击,但是它的节奏与力量不匹配,这意味着它可以打破时间对称。

  这就像打一根跳绳,当我们的手臂摇晃两次时,绳索就会晃动,姚明说,这种对称的断裂比威尔切克建议的版本要弱一些,它的想法是绳索自己振动。

  当门罗听说这个提议的系统时,他最初无法理解。我越读越困惑。他说。去年,他开始尝试将自己的原子结合到时间晶体中。这意味着激光器交替地向10个镱离子链发射,第一个激光器旋转它们,第二个激光器使这个旋转随机化。这种结合使原子振荡,但以两倍的速率振荡。

  另外,研究人员发现,即使当他们开始以不完美的方式触发系统时,振荡频率仍然保持不变,而不是稍微改变施加的力。系统仍然处于非常稳定的频率。门罗说。他表示,空间晶体也将抵制任何试图将其原子推离设定空间的企图。这次和晶体有同样的现象。

  在哈佛大学,物理学家米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)正在尝试一个类似的实验,但是在一个完全不同的3D钻石系统中。这颗钻石中有近一百万个杂质,每一种杂质都在旋转。钻石杂质提供了一种天然的无序状态。当Lukin和团队使用微波脉冲旋转时,他们发现系统频率受到了轻微的干扰。

  物理学家同意这两个系统自发地打破时间对称,所以在数学上他们可以达到时间晶体的标准。但是他们是否应该被称为时间晶体还有一些争论。这是一个有趣的发展,但在一定程度上滥用了它。 Oshikawa说。

  姚明说新系统是一个时间晶体,但是它的定义需要缩小,以免包括已经被很好理解但是量子物理学家不感兴趣的现象。

  无用

  但是姚明说,门罗和卢金的创新有着不同的兴奋点,它们似乎是存在于相对未开发的非均衡状态中的大量新阶段的第一个,也可能是最简单的情况,也可能有几个实际应用,其中之一可能是在高温下运行的量子模拟系统,物理学家通常在纳秒开尔文温度(接近绝对零度)时使用纠缠量子粒子来模拟不能在经典计算机上建模的材料的复杂行为,时间晶体代表一个稳定的量子系统温度超过这个温度,在卢金的钻石情况下,它是在室温下,这可能打开在非低温量子模拟的大门。

  Lukin表示,时间晶体也将用于超精密传感器。他的实验室一直使用钻石瑕疵来观察温度和磁场的细微变化。但是这种方法也是有限的,因为如果在狭小的空间中存在太多的缺陷,它们的相互作用就会破坏它们脆弱的量子态。然而,在时间晶体中,这种相互作用稳定而不是被破坏,所以Lukin能够将数百万个缺陷结合在一起形成一个强大的信号。这个信号对探索活细胞和原子厚度的材料是有用的。

  姚明说,交互稳定性原理在量子计算中也可以得到更广泛的应用。量子计算机已经显示出巨大的潜力,但是它们长期以来一直面临着保护在执行操作的同时编码和读取信息的脆弱量子位的挑战。你可以问自己,未来是否可以找到稳定这些量子位形状的相互作用。姚明说。

  马克斯·普朗克物理学复杂系统研究所所长罗德里克·莫斯纳(Roderich Moessner)说,时间晶体的故事是一个很好的例子,说明当不同的想法聚集在一起时,如何取得进展。他说这个特别的配方很可能最终被证明只是烹饪时间晶体的很多方法之一。 (金楠汇编)

  中国科学报(2017-04-19第3版国际)