时间晶体:引导科学家进行未来的计算及其网络

发布时间:10-2501:07

晶体由于空间平移对称性的破坏而产生。 类似地,平移对称性也可以在时间上打破,从而出现离散的时间晶体。时间晶体(英语:Time crystal)的概念首先由诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克于2012年提出,在2017年观察到,它是物质在时间上重复地排列。

普通晶体,例如钻石或盐,会在空间中重复其原子自组织,但时间上不会显示任何规律性。时间晶体会自我组织并按时间重复其模式,这意味着它们的结构会随着时间的推移而周期性的变化。时间晶体听起来好像属于科幻小说,但它可能是量子网络研究的下一个重大飞跃。

日本的一个科学家团队提出了一种使用时间晶体来模拟具有很少计算能力的大型网络的方法。该最新研究成果论文,题为:“用时间晶体模拟复杂的量子网络”,发表在最近的《科学进展》上。

该论文主要作者之一、美国国家信息学研究所和研究生院教授根本香絵说:“时间晶体的探索是一个非常活跃的研究领域,并且已经实现了多种多样的实验实现。” “但是,尚缺乏对时间晶体的性质及其表征以及一组建议的应用程序的直观完整的了解。在该研究论文中,我们提供了基于图论和统计力学的新工具来填补这一空白。”

根本香絵,英文名:Kae Nemoto,是著名的日本理论物理学家,以其在光子学、超辐射、量子能量传输、线性光学、和量子计算方面的研究而闻名于世,她是美国国家信息学研究所全球量子信息科学研究中心主任、美国物理学会和物理学院院士,美国物理学会评价她:“是开拓了量子信息处理和通信的量子光学实现理论的先驱”。

根本香絵和她的团队专门研究了时间晶体的量子性质,它们如何以可预测的重复模式在时刻之间移动,可以用来模拟大型专用网络,例如通信系统或人工智能。

研究团队介绍了使用一种图论工具来描述、表征和探索与物质这一阶段有关的物理现象的方法。 图形的分析允许可视化时间晶体的顺序并分析量子系统的特征。 例如,详细研究了周期为2的离散时间晶体的最小模型的熔化过程,并根据相关图结构的演化对其进行了描述。

如下面动画所示用时间晶体模拟复杂的量子网络。视频以完美的时光开始。随着时间的流逝,量子系统的参数发生变化,从而使时间晶体开始融化。通过查看网络,可以看到晶体融化了多少时间。有趣的是,时间晶体无法均匀融化,某些部件的融化速度比其它部分快。在视频即将结束时,可以看到时间晶体已经完全融化。

论文的第一作者之一、玛塔·埃斯塔雷拉斯(Marta Estarellas)说:“在古典世界中,这是不可能的,因为它需要极为大量的计算资源。” “我们不仅带来了一种表示和理解量子过程的新方法,而且以另一种方式来看待量子计算机。”

量子计算机可以存储和处理多种信息状态,这意味着它们可以通过同时解决多个潜在结果而以相对较少的功能和时间来处理大量数据集,而不是像传统计算机那样一一对应。根本香絵表示,“我们能否使用这种网络表示及其工具来理解复杂的量子系统及其现象,并识别其应用?” “在这项工作中,我们证明:答案是肯定的。”

研究表明,在融化过程中,网络演化表现出一种新兴的优先依附机制,与无标度网络的存在直接相关。 因此,该研究策略允许提出时间晶体作为复杂量子网络的量子模拟器的先前未曾探索的广泛应用。

研究人员计划在对方法进行实验测试后,使用时间晶体探索不同的量子系统。有了这些信息,他们的目标是提出实际应用,将指数级的复杂网络嵌入到几个量子位中。

根本香絵说:“将这种方法与几个量子比特一起使用,就可以模拟一个复杂的网络,其规模相当于整个全球互联网的大小。”

对时间晶体的探索是当今一个非常活跃的研究领域,它应用于离子阱、偶极自旋杂质、有序偶极多体系统、超冷原子、核能等领域。在分子中已经实现了自旋1/2矩。但是缺乏对时间晶体的性质及其表征以及一组建议的应用程序的直观和完整的了解。该研究团队提出了一个新的方法研究与理解对称性破碎阶段及其相关现象,描述了时晶顺序及其熔化。

对时间晶体的此类网络的模拟将具有广泛的适用性,范围涉及对通信或互联网网络中存在的行为的研究和理解、深度学习新算法的开发、或生物系统中遗传和神经结构的分析等。

参考:Simulating complex quantum networks with time crystals,Science Advances.16 Oct 2020. DOI: 10.1126/sciadv.aay8892

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