量子计算突破：科学家首次观测到物质的"时间晶体"相变

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https://scitechdaily.com/googles-quantum-ai-unlocks-a-strange-new-phase-of-matter/

在量子物理学的前沿领域，一项革命性的发现正在重新定义我们对物质本质的理解。由慕尼黑工业大学、普林斯顿大学和谷歌量子人工智能联合进行的研究，成功在58个超导量子比特的量子处理器上实现了一种前所未见的物质相态——Floquet拓扑有序状态。这一突破不仅证实了理论物理学家多年来的预测，更重要的是，它标志着量子计算机从纯粹的计算工具转变为探索奇异物质状态的强大实验平台。

这种被称为非平衡量子相的物质状态只有在系统被持续驱动、远离热力学平衡时才会出现，它们的存在挑战了我们对物质稳定性和相变的传统认知。研究团队不仅观测到了这种神秘的物质相，还直接成像了其边缘的特征定向运动，并目睹了奇异粒子的动态"嬗变"过程。

超越平衡态的物质新世界

传统物理学中，我们熟悉的物质相变通常发生在平衡条件下——水结冰、金属磁化或超导体的形成。这些相变遵循经典热力学定律，其特征由温度、压力等热力学参量决定。然而，当系统被推离平衡态时，物质可能展现出完全不同的行为模式。

Floquet系统正是这样一种非平衡量子系统，它通过周期性的外部驱动维持在远离平衡的状态。这种周期性驱动类似于不断摇摆的钟摆，但在量子尺度上，它能够产生在静态平衡条件下根本不存在的全新物质相态。

"众所周知，高度纠缠的非平衡相很难用经典计算机模拟，"论文第一作者、慕尼黑工业大学物理系博士生梅丽莎·威尔解释道。这种计算复杂性正是量子计算机发挥优势的地方——它们能够自然地处理量子纠缠和叠加态，为研究这些奇异的物质状态提供了理想的平台。

量子计算机的实验室革命

科学家们使用量子计算机观察了前所未见的物质相，为超越传统物理学极限的发现打开了大门。图片来源：股票

这项研究的意义远超单纯的理论验证。它展示了量子计算机作为科学研究工具的巨大潜力。传统上，物理学家需要复杂的实验装置来研究新的物质相，但现在，量子处理器本身就可以作为一个高度可控的实验环境。

研究团队使用的58量子比特处理器代表了当前量子技术的最前沿。与传统计算机的二进制比特不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加状态，这使得量子系统能够探索经典系统无法达到的状态空间。更重要的是，量子比特之间的纠缠关系创造了一个高度相关的量子网络，为研究复杂的集体量子现象提供了理想条件。

在实验中，研究团队通过精确控制量子比特之间的相互作用，成功创造了Floquet拓扑有序状态。这种状态的一个关键特征是其边缘模式的定向运动——信息和激发沿着系统边界以特定方向传播，这种现象被称为"手性边缘流"。

奇异粒子的量子舞蹈

最令人兴奋的发现之一是研究团队观测到了奇异粒子的动态嬗变过程。在这种特殊的物质相中，准粒子（集体激发的量子化形式）表现出与普通粒子截然不同的行为。它们可以在不同类型之间转换，遵循着只有在拓扑量子系统中才存在的奇特规则。

为了探测这些现象，研究团队开发了一种创新的干涉算法。这种方法类似于光学干涉技术，但应用于量子状态的测量。通过分析量子态之间的干涉模式，科学家能够提取出系统的拓扑不变量——这是区分不同拓扑相的数学指纹。

这种测量技术的突破性在于它能够直接探测量子系统的拓扑性质，而不需要依赖于间接的物理观测量。这为研究其他类型的拓扑量子相开辟了新的可能性，也为验证理论预测提供了强有力的工具。

从理论预言到实验现实

Floquet拓扑有序状态的概念最初由理论物理学家在纸面上提出，基于对量子场论和拓扑物理学的深入理解。然而，将这些抽象的理论概念转化为可观测的物理现象一直是一个巨大的挑战。

传统的凝聚态物理实验通常需要极端的条件——超低温、强磁场或高压——来实现奇异的量子相。即使在这些条件下，许多理论预测的现象仍然难以观测，因为它们要么存在时间极短，要么被环境噪声掩盖。

量子计算机提供了一个全新的解决方案。在量子处理器中，每个量子比特都可以被精确控制，系统与环境的相互作用可以被最小化，而时间演化可以被任意调节。这种前所未有的控制能力使得科学家能够按需创造和研究各种奇异的量子相。

技术挑战与突破

实现这项突破并非易事。量子计算机仍然面临着量子退相干和操作错误等根本性挑战。在58量子比特的系统中，保持长时间的相干性需要极其精密的控制技术。

研究团队克服了多个技术难题。首先，他们需要设计精确的脉冲序列来实现Floquet驱动，这些脉冲必须在纳秒级的时间尺度上保持高度的同步性。其次，他们必须发展新的测量协议来探测拓扑特性，这要求对量子态进行多次重复制备和测量。

最重要的是，他们成功解决了如何在有限尺寸的量子系统中观测本来只在无限大系统中严格定义的拓扑相变。通过巧妙的理论分析和数值模拟，他们确定了在有限系统中拓扑相的明确信号。

未来应用前景

这项研究的影响远远超出了基础物理学的范畴。Floquet拓扑系统可能为量子信息处理提供新的可能性。例如，拓扑保护的量子比特可能具有更强的抗噪声能力，为构建更稳定的量子计算机提供新的途径。

在量子传感领域，这些奇异的物质相可能实现前所未有的测量精度。边缘态的定向传输特性可能被用来构建高度敏感的量子传感器，能够探测微弱的磁场、电场或重力场变化。

此外，这种研究方法本身也开辟了新的科学探索途径。威尔表示："我们的结果表明，量子处理器不仅仅是计算设备，它们还是发现和探索全新物质状态的强大实验平台。"这意味着量子计算机可能成为21世纪物理学研究的重要工具，就像粒子加速器对20世纪物理学的意义一样。

随着量子计算技术的不断进步，我们可以期待看到更多令人惊讶的发现。从理解高温超导体的机制到探索量子自旋液体的性质，量子计算机正在成为揭示自然界最深层秘密的强大武器。这项研究标志着量子模拟新时代的开始，在这个时代，理论物理学的最前沿预测可以在实验室中得到直接验证和探索。