畅想一下，倘若未来人类能够制备出“时间胶囊”，通过超导量子计算机对它进行编程，可以将人类的记忆或者情感存入其中。这样得到的类似于“时间胶囊”的机器，可以将事先储存的记忆和情感一遍又一遍地重复展现出来，永远不会停止……
时间晶体，被誉为宇宙中的“时间胶囊”，一直以来，科研人员坚持不懈地研究时间晶体的多种形式，不断拓展人类对时间和空间维度认知的边界。
01
什么是时间晶体？
02
科学家在研究什么样的时间晶体？
在本项研究中，科研团队的主要研究对象是周期驱动下的离散时间晶体。
本项成果的共同第一作者、科创中心博士后相梁解释，离散时间晶体是一个在周期性驱动下的物理系统，它的特点是离散时间平移对称性的自发破缺。如何理解这种自发破缺呢？“这就好比我们用均匀的频率拍皮球，每拍一次，球弹起一次，球弹起的频率和拍频一致，这体现了离散时间平移对称性。但是，如果每拍两下，球才会弹起来一次，那么球弹起的频率就打破了拍频决定的离散时间平移对称性。这种系统自发的时间平移对称性破缺正是我们所研究时间晶体的典型特性。”
本文共同第一作者，清华大学博士蒋文杰还指出，时间晶体的另一个性质是稳定，即使给它施加一定强度的外部扰动，时间晶体仍能保持长时间的量子相干性。
03
什么是具有拓扑序的二维时间晶体？
物质的不同性质一般源于构成其原子的不同排序，在凝聚态物理领域，学界把这种粒子的不同组织形式称为序。“拓扑序”（topological order），指的是物质相中出现的一种特殊的序。因为在低温下，量子系统回到了稳定的能量基态，其粒子间存在全局的量子纠缠模式，具有“拓扑不变性”，也就是说这种序不受系统局部变化的影响。
自然界中，物质通常具有气态、液体、固态等物态，在高温下会出现等离子态，在低温下会发生量子凝聚，它们一般由对称性破缺及局部序参量描述。拓扑序描述了一类由对称性破缺不能刻画的长程纠缠现象。这就类似于一排小朋友听着耳机转圈圈，即使音乐的节奏变了，仍然可以观察到距离很远的两个小朋友存在稳定的“默契”，呈现某种呼应。因此，在基础科学研究中，拓扑序可以拓宽人类知识的版图。
举例说，传统时间晶体就像一个小朋友转圈圈，他们的行为在时间上具有周期性；而拓扑序时间晶体则更像是多个小朋友转圈圈，他们的动作整齐度在时间上具有周期性，这种情况下，单看每个小朋友，可能都在“瞎转”，但是看整体，所有小朋友的动作还是整齐的。
04
如何在“超导量子芯片”上构造时间晶体？
团队发现了什么？
非局部算符的时间平移对称性破缺，而局部算符看不到这种现象
研究团队利用数字量子电路的方式来模拟系统的动力学演化。其中，采用神经进化算法，把系统每个时间段的演化分解成一系列通用的量子门；经过对量子门的编译和校准，然后在量子计算机上执行，最终观测到了周期驱动下的时间晶体长达20周期的Zl逻辑算符的次谐波震荡。
团队发现，只有非局部算符表现出稳定的次谐波响应，而局部可观测量会迅速衰减为零。此外，对比传统时间晶体和拓扑有序晶体，其间根本区别在于：前者表现出传统对称破缺，没有拓扑序；而后者表现出无法通过任何局部序参量区分的长程拓扑序，只能通过非局部可观测量来揭示。
超导量子芯片测控实验平台
研究团队进一步观测到周期驱动系统的本征态具有长程纠缠，形成了拓扑有序的状态，这种二维拓扑有序的时间晶体能抵抗施加在比特的一定强度范围内的随机扰动，且系统有一直保持这种有序的状态的倾向。也就是说，在没有控制误差的情况下，时间晶体的演化将远远超过当前实验所能观测的时间尺度。
*本文的同等贡献第一作者为：相梁（浙江大学杭州国际科创中心博士后）、蒋文杰（清华大学博士生）、包泽杭（浙江大学博士生）。通讯作者为：郭秋江（浙江大学杭州国际科创中心研究员），王浩华（浙江大学教授），邓东灵（清华大学副教授）。其他合作者包括美国马里兰大学的Fangli Liu和Alexey V. Gorshkov，科罗拉多矿业学院的Zhe-Xuan Gong，爱荷华州立大学的Thomas Iadecola，以及哈佛大学的Norman Y.Yao和Francisco Machado。
*本研究得到了科技部、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金，浙江省尖兵计划，清华大学笃实专项、上海期智研究院等的支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53077-9
文字：孔晓睿 相梁
本文编辑：何心怡
审核：潘怡蒙
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