全數字化量子模擬出手在量子芯片上“搭”出時間晶體

人們日常所熟悉的鹽，礦石等普通晶體，其原子的空間排列是有周期性變化的時間晶體，也就是一種四維以上的空間晶體，它的特點是隨時間周期性變化

最近幾天，《自然》雜志發表了浙江大學物理學院王鎮和王浩華研究組與清華大學交叉信息研究所鄧冬玲研究組合作的研究成果研究人員首次在超導量子芯片上采用全數字量子模擬方法，實現了拓撲時間晶體這種新的物質狀態

在研究中，研究人員成功觀察到拓撲時間晶體的邊緣由于拓撲保護表現出離散時間晶體的行為，即浮球對稱保護拓撲相在超導量子芯片上使用數字量子模擬，有望用于探索更多物理學前沿問題

在尋找時間水晶的過程中另尋他法。

團隊繪制的數字量子模擬拓撲時間晶體概念圖顯示，超導量子芯片內部就像一個五彩繽紛的量子世界科學家在這個量子世界中構建拓撲時間晶體

在理論上，有科學家提出了離散時間晶體的概念，并提出了在一類非平衡系統中創造時間晶體的理論模型——量子多體定域系統實驗方面，最近幾年來有研究團隊在離子阱平臺，鉆石色心平臺，核磁共振量子平臺等幾個平臺上實現了離散時間晶體

時間晶體的特殊之處在于，它的周期性重復是一種自然穩定的基態，即物質處于最低能量時的狀態浙江大學物理學院研究員王鎮解釋說:時間晶體不需要像發條一樣消耗能量，它們的‘性質’類似于頻閃或呼吸，周期性變化

兩年前，清華大學鄧東嶺教授開始構思一種新的時間晶體，即試圖將拓撲學的概念引入時間晶體通過與浙江大學超導量子計算團隊合作，他試圖在超導量子芯片上創造出這種全新的時間晶體常規的時間晶體已經在一些實驗平臺中實現了，我們想嘗試一下別人沒有做過的事情王鎮說

團隊基于浙江大學杭州國際科技創新中心量子計算創新工場發布的天目一號超導量子芯片聯合進行實驗該芯片由浙江大學微納加工中心制造，平均比特相干時間超過100微秒，達到國際先進水平該芯片采用易于擴展的鄰居連接架構，具有更高的編程靈活性，可以執行更多種類的量子算法，具有更廣闊的研究前景

磨出全數字仿真利器

最近幾年來，量子計算在解決經典計算機做不到的復雜問題上越來越顯示出強大的能力科學家認為，要發展應用范圍廣泛的普適量子計算，必須首先實現特殊量子計算，以研究特定的，專門的現象和問題

根據王鎮的說法，量子計算是通過對量子位進行邏輯運算進行的計算，即通過量子門進行的計算不同的量子門組合成不同的算法積木，用來建造科學家心目中的大樓在這項合作研究中，理論物理學家承擔建筑師的角色，設計積木的組合浙江大學的研究團隊負責創造更多用途的量子積木，并為建筑的完成提供原材料

從理論上講，數字仿真可以應用于許多物理系統的研究，而不局限于一個系統姜文杰說

頭部和尾部的環狀鏈狀晶體。

通過全數字量子模擬，聯合團隊首次成功模擬出由26個準粒子組成的鏈式拓撲時間晶體在退相干時間，量子比特在邊緣的自旋與驅動周期相關這種響應對初始狀態完全不敏感，表現出由拓撲保護的魯棒性，即，對特征或參數擾動不敏感通過調節系統的擾動，成功地刻畫了拓撲相和普通熱相之間的界限

張旭對拓撲時間晶體的演化過程做了一個生動的比喻:就像一排孩子圍著耳機聽，每個孩子都要根據聽到的音樂節奏轉圈，還要相互配合，三三兩兩地完成雜技動作這些特別設計的雜技具有拓撲性質，可以通過量子效應‘糾纏’第一個和第二個孩子的舞蹈即使音樂的節奏發生了變化，仍然可以觀察到兩個孩子在最后有一種穩定的‘默契’，也就是某種周期性呼應的現象

研究團隊認為，這種拓撲時間晶體的成功模擬證明了在超導量子芯片上使用數字量子模擬的可行性，并將啟發人們在超導量子計算平臺上探索更多新的物質和現象下一步，研究團隊將繼續拓展量子芯片的規模和性能，模擬性質更新，尺度更寬，物理內涵更豐富的量子問題，為量子算法的開發和應用提供基礎平臺