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新形式物质可能是开发量子计算机的关键

时间：2017-4-24 09:28作者：update 阅读(970) 评论: 5来自: 实验帮

导读：哈佛的物理学家们创造了一种新的物质形式,被称为时间晶体,它可以为量子系统的神秘行为提供重要的见解。

　　哈佛的物理学家们创造了一种新的物质形式,被称为时间晶体,它可以为量子系统的神秘行为提供重要的见解。

　　传统上，晶体就像盐、糖甚至钻石一样，只是三维晶格中原子的周期性排列。

　　而时间晶体，另一方面，具有原子周期性排列的特性，并在之外添加第四个维度，这表明在一定条件下，一些原子材料可以表现出跨越时间的周期性结构。

　　由物理学教授Mikhail Lukin和Eugene Demler，以及博士后研究员Renate Landig和Georg Kucsko，初级研究员vedika khemani，物理系研究生Soonwon Choi、Joonhee Choi和Hengyun Zhou组成的研究小组，建立了一个量子系统，该系统使用一小块钻石嵌入原子尺度的杂质称为氮空位（NV）的数以百万计的中心中。然后，他们使用微波脉冲“冲击”系统的平衡，造成NV中心在精确的时间间隔内发生自旋翻转，这即是时间晶体的关键标志之一。这项工作一发表于今年三月份《自然》杂志的一篇论文中。

　　这项研究的其他共同作者有来自筑波大学和高崎高等研究院的Junichi Isoya，Shinobu Onoda，和Hitoshi Sumiya，以及来自乌尔姆大学的Fedor Jelezko，普林斯顿大学的Curt von Keyserlingk和伯克利大学Norman Y. Yao等研究人员。

　　但创造这种时间晶体的重要性不仅仅是因为它证明了以前只有理论支撑的材料可以在现实中存在，Lukin说，还因为他们提供了一个诱人的窗口，物理学家能够观察这后在那个非平衡系统的能力。

　　“现在有了广泛的正在进行的工作，目的在于了解非平衡量子物理系统的状态，” Lukin说。“这是许多量子技术感兴趣的领域，因为量子计算机基本上是远离平衡的量子系统。这是非常前沿的研究，而我们真的只还是处于表面的研究。”

　　但理解这样的非平衡系统可以帮助研究人员一直走到量子计算，后面的时间晶体的技术也可能有更多的短期应用涉及。

　　“一个特定的地区，我们认为这可能是有用的，这是因为这项工作我们最初的动机之一，那就是精密测量，” Lukin说。“事实证明，如果你正试图建立……例如，磁场传感器，你可以使用NV中心旋转，因此，我们所创造的物质的非平衡态可能是十分有用的。”

　　然而，这样的系统可以建立的概念，最初似乎不太可能。事实上，一些研究人员（如Patrick Bruno，Haruki Watanabe，Masaki Oshikawa）已经证明不可能建立时间晶体在一个平衡的量子系统中。

　　“我们周围的大多数事物都处于平衡状态，” Lukin解释说。“这意味着，如果你有一个热的身体和一个寒冷的身体，如果你把他们在一起，他们的温度会均衡。但并不是所有的系统都是这样的。”

　　其中一个最常见的例子是一种物质的平衡，他说，就是许多人每天穿着的东西，钻石。

　　在高温和压力下形成的碳的结晶形式，钻石是不寻常的，因为它是亚稳定的，这意味着一旦它采用了晶体的形成，它将保持这种方式，即使在热和压力被移除后也会保持形态。

　　直到最近，Lukin说，研究人员开始意识到非平衡系统，特别是那些被称为“驱动”系统，使研究人员能够利用周期性的能量脉冲进行“激发”，可以表现出一种时间晶体的特点。

　　他说，其中的一个特点是，晶体相对于时间的响应在扰动方面仍然是强大的。

　　“固体晶体是刚性的，所以如果你推动它，也许原子之间的距离有点变化，但晶体本身仍然存在，”他说。“时间晶体的想法是在时域中有这样的顺序，但它必须是具有鲁棒性的。”

　　另一个重要的观点，通常如果你继续推动系统远离平衡态开始升温，但事实证明，有一类是耐加热的系统， Lukin补充说明。事实证明，时间的晶体效应是密切相关的，一种观点是一个系统是受激发的，但它不吸收能量。

　　建立这样一个系统， Lukin和同事们开始用一小块钻石嵌入很多NV中心中。

　　“我们的目标是，利用钻石和微波脉冲，从而改变NV中心旋转的方向，” Lukin解释说。“这基本上是需要所有的自旋，先加强然后减弱，再利用下一个脉冲给他们备份。”

　　测试系统的鲁棒性， Lukin和同事利用不同的脉冲定时看材料是否会继续保持像一个时间晶体。

　　“如果你不面向所有自旋完全上下各一次，然后很快，你将结束在一个完全随机的系统中，” Lukin说。“但NV中心之间的相互作用稳定的反应：他们迫使系统以周期性的，时间结晶的方式作出反应。”

　　这样的系统或许对于量子计算机和量子传感器应用的发展是至关重要的， Lukin说，因为他们显示了两个关键部件，长量子记忆时间和一个非常高密度的量子比特在没有相互排斥的状态下。

　　“对于许多那些你想要的应用来说，这两个特点都需要，” Lukin说。“但这两个要求通常是矛盾的……这是一个众所周知的问题。目前的工作表明，我们可以达到预期的组合。还有很多工作要做，但我们相信这些影响可能使我们能够创造新一代的量子传感器，并可能从长远来看可实现有其他应用的东西，如原子钟。”

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