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无摩擦的自发振荡“永动机”:量子时间晶体

人气:发表时间:2019-03-11
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   物理学家创造了一种新的物质状态,这可能是发展新量子机器的关键。。

   资料来源:哈佛大学

   翻译袁朱军(北京大学) )

   编辑丁·齐家

   审校周恒云(博士。D。 哈佛大学物理系的学生和论文作者之一)

   编辑的评论

   我们的世界丰富多彩,有各种物质状态。。 这些不同的物质状态通过它们的对称性来区分。。 例如,液体具有最高的对称性,任何平移距离都会将液体变成它自己。。 然而,晶体具有较低的对称性。 只有当晶体移动一定距离时,晶体才会保持不变。。 晶体中平移对称的这种破坏对应于晶体中原子在空间中的各种分布模式。这种打破对称性的观点让我们对晶体结构有了深刻的理解。我们甚至可以利用这些较低的晶体对称性对所有可能的晶体形式进行完整的分类。例如,在三维空间中,我们只有230种不同的晶体形式。

   液晶和液晶在时间上具有高度对称性,并且当时间移动时,它们不会在任何时候改变。换句话说,液晶和液晶都是不随时间变化的稳定状态。那么我们是否改变了对称破缺的物质状态——时间晶体——时间? (所谓时间晶体是时间上的自发振荡。)

   答案是肯定的,时间晶体(自发的时间振荡)是一种非常普遍的现象。当一个旧的钟摆被缠绕时,钟摆会周期性地摆动并产生自发的摆动。这是一个时间水晶。在任何电子表或智能手机中,都有电子振荡器。电子振荡器也是时间晶体。

   但是为什么这篇文章称时间晶体为新发现呢? 事实上,这篇文章是关于 不热 时间晶体。自发振荡不是新现象;不加热是一种新现象。许多关于时间晶体的在线文章只强调了自发振荡的旧现象,但是他们没有(或者很少)强调非加热的新现象。

   所谓不发烧意味着没有能量消耗。一般认为,任何运动都会产生摩擦、热量和消耗能量。因此,不产生摩擦的自发振荡确实是一个惊人的发现。从某种意义上来说,非加热时间晶体也可以被视为自发振荡的永动机。此外,不加热意味着不破坏量子相干性。这种不破坏量子相干性的操作在量子计算中可能有许多用途。

   这篇文章介绍了哈佛研究小组的工作。其他几个研究小组以前也有类似的发现。

   -温小刚

   传统晶体是指原子在三维晶格上的简单周期性排列。盐、糖甚至钻石都属于这一类。另一方面,时间晶体是基于原子的空间周期性加上第四维度的周期性——这意味着在某些条件下,材料中的这些原子在时间上也具有周期性结构。

   哈佛大学物理教授米哈伊尔·卢金和尤金·德姆勒领导的团队[ 1 ] 一个量子系统是由一小块嵌有数百万原子级杂质氮空位( NV )色心的钻石构成的。然后他们用微波脉冲迫使系统失去平衡,导致NV色中心的旋转以非常精确的间隔翻转——时间晶体的关键标志之一。该作品于3月8日发表在《自然》杂志上自然 )在杂志上。

   这篇文章的作者Lukin说:“制造时间晶体的意义不仅在于证明一种‘以前的理论'材料是可以实现的,也因为它为物理学家研究非平衡系统的行为打开了一扇有吸引力的窗口。“

  “今天,关于非平衡态量子系统的物理研究有着非常广阔的前景,许多工作正在进行中,”Lukin说。“这是一个与各种量子技术密切相关的领域,因为量子计算机基本上可以被描述为远离平衡态的量子系统。这是一项非常前沿的研究 。我们刚刚谈到了一些肤浅的问题。”

   了解这种非平衡系统不仅可以帮助研究人员从长远的角度走上量子计算的道路,而且制造这种时间晶体背后的技术可能会带来许多最近的应用。

   “我们认为这项技术在一个领域可能会派上用场。这是精确测量的领域,也是我们工作的最初动机之一。”卢金说。“后来,我们发现磁场探测器可以利用NV色心的自旋来制造,”他说。“因此,我们创造的非平衡物质可能会投入实际使用。“

   然而,开始时,许多人怀疑这种系统是否可以制造出来。事实上,一些学者(帕特里克·布鲁诺、渡边春树、大岛正树)甚至证明了量子系统不能成为平衡态的时间晶体。

   “我们生活中的大多数事情都是平衡的,”Lukin解释道,“这意味着如果你把一个热物体和一个冷物体粘在一起,它们的温度最终会趋于相等。然而,并非所有系统都是这样的。”

   最常见的非平衡材料之一是钻石,许多人经常佩戴钻石。作为在极高温度和压力下形成的碳晶体形式,金刚石不常见,因为它是亚稳态的。这意味着一旦它形成这种晶体形式,即使在除去高温和高压条件后,它也将保持这种状态。

   Lukin说,直到最近,研究人员才意识到非平衡系统,特别是那些“可驱动的”( I。e。研究人员可以用周期性能量脉冲“驱动”的系统)可以展现时间晶体的特性。这些特性之一是晶体对干扰的响应在时间上是鲁棒的——也就是说,它倾向于抵抗干扰。

   “固体晶体很硬。如果你按下它,原子之间的距离可能会有所改变,但是晶体本身可以存活下来,”他说。“时间晶体的想法是在时域中有这个顺序,它必须对干扰具有鲁棒性。“

   Lukin补充道:“时间晶体的另一个重要特征是,通常,如果你强迫一个系统脱离平衡,它会开始升温,但是这样的系统可以抵抗这种热量。”。“事实证明,时间晶体效应非常接近于系统被激发但不吸收能量的想法。”

   为了准备这样一个系统,Lukin和他的同事们从一块嵌有许多NV颜色中心的小钻石开始,它看起来是黑色的而不是透明的。

   “我们将这颗钻石置于微波脉冲下,这可以改变NV色心旋转的方向,”Lukin解释道。“这可以作用于几乎所有上升的旋转,将它们调低,然后下一个脉冲将使它们再次上升。“为了测试系统的鲁棒性,Lukin和他的同事改变了脉冲的时间,看看这种材料是否能保持和时间晶体一样的响应。

   Lukin说:“如果你不能一次把所有的旋转都调高或调低,系统很快就会变得完全随机。”。“然而,NV颜色中心之间的相互作用稳定了系统的反应:它们迫使系统以相同的周期做出反应,这是时间晶体的行为。“

   Lukin说,这种系统最终可能会在量子计算机和量子探测器的发展中发挥决定性作用,因为它们向我们展示了长量子记忆时间和极高量子比特密度这两种决定性的特性可以共存。“在许多应用中,我们都希望同时拥有上述两种属性,”他说,“但是这两种属性的要求通常是矛盾的 。这是一个非常常见的问题。当前的工作表明,我们可以同时实现这两个特性。尽管还有很多工作要做,但我们相信这些效应可能有助于我们制造新一代量子探测器,从长远来看,它也可能带来其他应用,如原子钟等。”

   笔记

  [ 1 ]小组成员包括博士后学生雷娜特·兰迪格和小研究员乔治·库茨科,以及哈佛大学的物理研究生索恩恩·蔡和琼恩·蔡和周恒云。

   这篇文章被哈佛大学媒体办公室授权翻译。

   原文发表在2017年4月17日的《科学日报》上,标题为 创造时间晶体

   原始链接: https://www。科学日报。com / release / 2017 / 04 / 170417155014。html文件的后缀