繼5G之后，下一項(xiàng)高科技，難道是量子計(jì)算機(jī)？

它的出現(xiàn)，似乎給了永動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的可能！

遵循物理定律工作的'時(shí)間晶體'為量子計(jì)算迎來(lái)了新的時(shí)代

在超流體氦-3的形成過(guò)程中，研究人員觀察記錄到了超過(guò)15分鐘的時(shí)間晶體。

此裝置位于芬蘭阿爾托大學(xué)，用來(lái)冷卻超流體氦-3，在那里制造了兩個(gè)時(shí)間晶體并接觸在一起。

(圖片來(lái)源:阿爾托大學(xué)/米卡·哈基寧Mikko Raskinen)

在絕對(duì)零度之上萬(wàn)分之一度的超流體氦-3中連接兩個(gè)“時(shí)間晶體”可能是邁向新型量子計(jì)算機(jī)的一大步。

時(shí)間晶體具有怪異的原子結(jié)構(gòu)，直到將近2012年人們才預(yù)測(cè)到它的存在，并在其后的幾年陸續(xù)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在普通晶體中（如鉆石或鹽），原子以規(guī)律重復(fù)的空間模式排列——晶格或類(lèi)似框架。如大多數(shù)材料一樣，當(dāng)原子處于基態(tài)（此時(shí)它們的能級(jí)盡可能低）時(shí)，它們會(huì)停止抖動(dòng)。

另一方面，時(shí)間晶體的重復(fù)原子構(gòu)成是在時(shí)間上而不是空間上的，它們來(lái)回振蕩或是自旋,即使處于基態(tài)也是如此。它們可以永遠(yuǎn)維持這種運(yùn)動(dòng)，既不需要能量的輸入，也不會(huì)在此過(guò)程損失能量。

在此過(guò)程中，這些時(shí)間晶體可以無(wú)視熵的存在，熱力學(xué)第二定律將熵描述為任何系統(tǒng)是如何隨著時(shí)間的推移變得更加無(wú)序的。舉個(gè)例子，思考一下行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們想象它們按照時(shí)針的有序運(yùn)動(dòng)，總在同一時(shí)間回歸到它們各自軌道上同一位置?？蓪?shí)際上這是非常復(fù)雜混亂的：其他行星或經(jīng)過(guò)的恒星會(huì)對(duì)它們進(jìn)行拉扯，使其運(yùn)行軌道發(fā)生微妙的變化。

因此，行星的軌道本質(zhì)上是混亂的。對(duì)它們來(lái)說(shuō)，一點(diǎn)小小的改變都將可能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)將會(huì)變得越發(fā)無(wú)序，其熵也會(huì)隨之增加。

時(shí)間晶體可以抵消熵的影響是因?yàn)槭且粋€(gè)被熟知的量子力學(xué)原理——多物體定位。在時(shí)間晶體中，如果一個(gè)原子受到某力的沖擊，那么此沖擊將只影響作用于此原子。因此，這種改變被認(rèn)定為是局部的，而不是全局的（即整個(gè)系統(tǒng)的）。因此，此系統(tǒng)不會(huì)變得混亂無(wú)序，并在理論上允許重復(fù)震蕩繼續(xù)永恒持續(xù)。

“眾所周知，永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。”英國(guó)蘭開(kāi)斯特大學(xué)研究員兼物理學(xué)講師薩姆利·奧蒂（Samuli Autti）在一份聲明中表示。“然而，在量子物理學(xué)中，只要我們閉上眼睛，永動(dòng)機(jī)便是可以存在的?！?/p>

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的奧蒂指的是海森堡不確定性原理，此原理暗指，當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)被觀察和測(cè)量時(shí)，它的量子波函數(shù)是如何坍縮的。因其量子力學(xué)性質(zhì)，時(shí)間晶體只有在與周?chē)h(huán)境完全隔離的情況下才能以100%的效率工作。這將限制了它們的可被觀測(cè)時(shí)間，直到它們因波函數(shù)坍縮最終完全分解。

然而，奧蒂的團(tuán)隊(duì)成功通過(guò)冷卻一定量的超流體氦-3（氦的一種同位素），連接了兩個(gè)時(shí)間晶體。超流體氦-3如此特殊的原因在于，當(dāng)冷卻到略高于絕對(duì)零度（冷夏459.67華氏度或零下273攝氏度）時(shí)，這種同位素就會(huì)變成超流體，這是很多材料都無(wú)法做到的。在超流體中，粘度為零，因此將不會(huì)因摩擦而喪失動(dòng)能，從而允許存在如原子在時(shí)間晶體中這般永恒持續(xù)的運(yùn)動(dòng)。

奧蒂的團(tuán)隊(duì)在芬蘭阿爾托大學(xué)工作，操縱超流體氦-3原子創(chuàng)造出了兩個(gè)相互作用的時(shí)間晶體。此外，它們還觀察到，在時(shí)間晶體的函數(shù)波坍縮之前，這種時(shí)間晶體配對(duì)行為所用時(shí)間達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄性的1000秒（約17分鐘），相當(dāng)于原子振蕩或自旋運(yùn)動(dòng)的數(shù)十億個(gè)周期。

“事實(shí)證明，把它們放在一起的效果很好。”奧蒂說(shuō)。

這一發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)功能齊全的量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了一條具有良好發(fā)展前景的研究路線(xiàn)。鑒于普通計(jì)算機(jī)的比特是二進(jìn)制，即0或1，關(guān)閉或開(kāi)啟，量子計(jì)算機(jī)的處理速度將會(huì)快得多，因?yàn)樗鼈兝昧恕傲孔游弧保梢酝瑫r(shí)為1和0，開(kāi)啟和關(guān)閉。建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的一種方式是將無(wú)數(shù)個(gè)時(shí)間晶體連接，每個(gè)時(shí)間晶體都會(huì)被設(shè)計(jì)成一個(gè)量子比特。因此，這項(xiàng)首次連接兩個(gè)時(shí)間晶體的實(shí)驗(yàn)實(shí)則創(chuàng)造了量子計(jì)算機(jī)的基本組成部分。

先前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，有些時(shí)候時(shí)間晶體可以在室溫下工作，而不需要冷卻到接近絕對(duì)零度，這使它們的構(gòu)造更加容易。奧蒂的團(tuán)隊(duì)表示，下一個(gè)任務(wù)是證明其邏輯門(mén)操作，即允許計(jì)算機(jī)處理信息的功能可以在兩個(gè)甚至多個(gè)時(shí)間晶體之間操作。

BY:Keith Cooper

FY:Chase

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