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没有摩擦的自发振荡“永动机”:量子时间晶体

作者:- 文章来源:- 点击数:74 更新时间:2017/5/4 7:27:45

  物理学家们创造出一种新的物态形式,这种物态也许是发展新型量子机器的钥匙。

  来源 哈佛大学

  翻译 袁竹君(北京大学)

  编辑 丁家琦

  审校 周恒昀(哈佛大学物理系博士生、论文作者之一)

  主编点评

  我们的世界有丰富多彩、各种各样的物质态。这些不同的物质态,是由它们的对称性来区分的。例如液态具有最高的对称性,平移任何距离都把液态变成它自己。而晶体则有较低的对称性,只有在平移某一个特定的距离时,晶体才保持不变。晶体中这一平移对称性的破缺,正对应于晶体中原子在空间的各种各样的分布图案。这一对称性破缺的看法,使我们对晶体的结构,有了一个深刻的理解。我们甚至可以利用晶体这些较低的对称性,对所有可能的晶体形态,作一完全分类。比如在三维空间,我们只有230种不同的晶体形态。

  液体和晶体在时间上都有很高的对称性,时间平移任何时段它们都不变。也就是说,液体和晶体,都是不随时间变化的稳定态。那我们有没有在时间上平移对称性破缺的物质态——时间晶体?(所谓时间晶体,就是在时间上自发产生振荡。)

  答案是有,而且时间晶体(时间上的自发振荡)是一个非常常见的现象。一个老式的摆钟,上了发条之后,钟摆就会自己周期性摆动,产生自发振荡,这就是一个时间晶体。任何电子表、智能手机中,都有一个电子振荡器。电子振荡器也是一个时间晶体。

  可为什么这篇文章把时间晶体称为新发现呢?实际上,这篇文章讲的,是一个不发热的时间晶体。自发振荡不是新现象,不发热才是新现象。网上很多介绍时间晶体的文章,只强调自发振荡这一旧的现象,却没有(或很少)强调不发热这一新现象。

  所谓不发热,就是不消耗能量。通常大家认为任何运动都会产生摩擦力,都会发热并消耗能量。所以,一个不产生摩擦力的自发振荡,的确是一个令人惊奇的发现。在某种意义下,一个不发热的时间晶体也可以看成是一个自发振荡永动机。另外,不发热,就是不破坏量子相干性。这一不破坏量子相干性的操作,也许在量子计算中会有很多用处。

  这篇文章介绍了哈佛一个研究小组的工作。之前其它几个研究小组也有类似的发现。

  ——文小刚

普通石英晶体(图片来源:pixabay)普通石英晶体(图片来源:pixabay)

  传统上的晶体指的是三维格子上原子们简单的周期性排布,盐、糖,甚至钻石都属于此类。而时间晶体则在原子的空间周期性的基础上,再加上第四个维度的周期性——这意味着特定条件下,这些在材料中的原子在时间上也会出现周期结构。

  由哈佛大学物理学教授Mikhail Lukin和Eugene Demler领衔的团队[1]制造出了一个量子体系,其用一小片金刚石制成,上面嵌有数以百万计原子尺度的杂质——氮-空位(记为NV)色心。然后,他们用微波脉冲迫使这个系统脱离平衡,造成NV色心的自旋以非常准确的间隔翻转——这是时间晶体的关键标志之一。这个工作发表在3月8日的《自然》(Nature)杂志上。

  文章的通讯作者Lukin表示:“制造出时间晶体的重要意义不只是证明了一个‘以前只存在于理论上’的材料是能实现的,而更是因为它给物理学家打开了一扇诱人的窗口,帮助我们研究非平衡态系统的行为。”

  “如今,关于非平衡态下量子系统的物理学研究前景十分广阔,有很多工作正在进行中,” Lukin 说,“这是一个与多种量子技术切身相关的领域,因为一台量子计算机基本上就可以被描述为一个远离平衡态的量子系统。这是非常前沿的研究……而我们刚刚涉及到表面的一些皮毛。”

  理解这种非平衡态系统不仅能从长远角度帮助研究人员走上量子计算的道路,制造出这一时间晶体背后的技术或许还能带来很多近期的应用。

  “我们认为这个技术在一个领域可能会派上用场,这就是精确测量领域,这也是我们这个工作的最初动机之一。”Lukin 说。“后来我们发现,利用NV色心的自旋可以制成磁场探测器,”他说,“所以,我们创造的非平衡态物质是可能派上实际用场的。”

  然而,在一开始,很多人怀疑这类系统根本不可能被制造出来。事实上,几位学者(Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa)甚至已经证明,在平衡态时,一个量子系统是不可能成为时间晶体的。

  “我们生活中的大多数事物都是平衡态的,”Lukin 解释道,“这意味着如果你把一个热的物体和一个冷的物体贴在一起,它们的温度最后就会趋向于相等。但是,不是所有的系统都这样。”

  一种最常见的非平衡态材料,就是很多人日常会穿戴的东西——钻石。作为一个碳在极高温高压条件下形成的晶体形式,钻石之所以不常见,就是因为它是亚稳态的。这意味着一旦它形成这种晶体形式,就会保持这种状态,即便在去掉高温高压条件以后。

  Lukin说,一直到最近,研究者才意识到非平衡态系统,特别是那些“可驱动”的系统(即研究者能用周期性能量脉冲“驱动”的系统),能展示出时间晶体的特质。这些特质中的一种,就是晶体对扰动的反应在时间上是稳健的(robust)——即有抵抗扰动的倾向。

  “一个固态晶体是坚硬的,如果你压它,也许原子之间的距离有一点点改变,但是晶体本身能存留下来,”他说,“而时间晶体的想法就是在时间域上有这种秩序性,而且对于扰动必须是稳健的。”

  “时间晶体另外一个重要的特性是,通常,如果你迫使一个系统远离了平衡,它就将开始发热,但是这类系统能抵抗这种发热,”Lukin补充道,“事实证明,时间晶体效应与这样一个想法十分接近:系统被激发了,但是不吸收能量。”

  为了制备这样一个系统,Lukin和他的同事们从一小片金刚石下手,这片金刚石上嵌有非常多的NV色心,以致于它看起来不是透明的了,而是黑色。

  “我们把这个钻石放到微波脉冲下,这可以改变NV色心自旋的朝向,”Lukin解释道,“这能作用于几乎所有朝上的自旋,让它们转而朝下,然后下一个脉冲再使得它们全部朝上。”为了测试系统的稳健性,Lukin和他的同事们改变了脉冲的时间,去看这材料是否能保持时间晶体一样的响应。

  “如果不能每次调转所有自旋全部向上或向下,系统很快就会变成完全随机的,” Lukin说,“但是,NV色心间的相互作用使系统的反应稳定下来:他们迫使系统以同一个周期响应,这就是时间晶体的行为。”

  这类系统或许最终会对量子计算机和量子探测器的开发产生决定性的作用,Lukin说,因为它们让我们看到,较长的量子记忆时间和非常高的量子比特密度这两个决定性的性质,是可以共存的。“在很多的应用中,我们都想同时拥有上面两个性质,”他说,“但是这两个性质的要求通常是互相矛盾的……这是一个非常常见的问题。当前的这个工作表明,我们可以做到同时实现两种性质。虽然还有很多工作需要完成,但是我们相信这些效应也许能帮助我们制造新一代的量子探测器,而且从长远看,这也许还能带来其他方面的应用,如原子钟等。”

  注释

  [1] 团队成员包含博士后Renate Landig和Georg Kucsko,特聘研究员(Junior Fellow)Vedika Khemani,以及哈佛大学物理系研究生Soonwon Choi、Joonhee Choi和周恒昀(Hengyun Zhou)。

  本文经哈佛大学媒体办公室授权翻译。

  原文发表于2017年4月17日的Science Daily,题目为Creating time crystals

  原文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170417155014.htm

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