全数字化量子模拟出手在量子芯片上“搭”出时间晶体

人们日常所熟悉的盐，矿石等普通晶体，其原子的空间排列是有周期性变化的时间晶体，也就是一种四维以上的空间晶体，它的特点是随时间周期性变化

最近几天，《自然》杂志发表了浙江大学物理学院王镇和王浩华研究组与清华大学交叉信息研究所邓冬玲研究组合作的研究成果研究人员首次在超导量子芯片上采用全数字量子模拟方法，实现了拓扑时间晶体这种新的物质状态

在研究中，研究人员成功观察到拓扑时间晶体的边缘由于拓扑保护表现出离散时间晶体的行为，即浮球对称保护拓扑相在超导量子芯片上使用数字量子模拟，有望用于探索更多物理学前沿问题

在寻找时间水晶的过程中另寻他法。

团队绘制的数字量子模拟拓扑时间晶体概念图显示，超导量子芯片内部就像一个五彩缤纷的量子世界科学家在这个量子世界中构建拓扑时间晶体

在理论上，有科学家提出了离散时间晶体的概念，并提出了在一类非平衡系统中创造时间晶体的理论模型——量子多体定域系统实验方面，最近几年来有研究团队在离子阱平台，钻石色心平台，核磁共振量子平台等几个平台上实现了离散时间晶体

时间晶体的特殊之处在于，它的周期性重复是一种自然稳定的基态，即物质处于最低能量时的状态浙江大学物理学院研究员王镇解释说:时间晶体不需要像发条一样消耗能量，它们的‘性质’类似于频闪或呼吸，周期性变化

两年前，清华大学邓东岭教授开始构思一种新的时间晶体，即试图将拓扑学的概念引入时间晶体通过与浙江大学超导量子计算团队合作，他试图在超导量子芯片上创造出这种全新的时间晶体常规的时间晶体已经在一些实验平台中实现了，我们想尝试一下别人没有做过的事情王镇说

团队基于浙江大学杭州国际科技创新中心量子计算创新工场发布的天目一号超导量子芯片联合进行实验该芯片由浙江大学微纳加工中心制造，平均比特相干时间超过100微秒，达到国际先进水平该芯片采用易于扩展的邻居连接架构，具有更高的编程灵活性，可以执行更多种类的量子算法，具有更广阔的研究前景

磨出全数字仿真利器

最近几年来，量子计算在解决经典计算机做不到的复杂问题上越来越显示出强大的能力科学家认为，要发展应用范围广泛的普适量子计算，必须首先实现特殊量子计算，以研究特定的，专门的现象和问题

根据王镇的说法，量子计算是通过对量子位进行逻辑运算进行的计算，即通过量子门进行的计算不同的量子门组合成不同的算法积木，用来建造科学家心目中的大楼在这项合作研究中，理论物理学家承担建筑师的角色，设计积木的组合浙江大学的研究团队负责创造更多用途的量子积木，并为建筑的完成提供原材料

从理论上讲，数字仿真可以应用于许多物理系统的研究，而不局限于一个系统姜文杰说

头部和尾部的环状链状晶体。

通过全数字量子模拟，联合团队首次成功模拟出由26个准粒子组成的链式拓扑时间晶体在退相干时间，量子比特在边缘的自旋与驱动周期相关这种响应对初始状态完全不敏感，表现出由拓扑保护的鲁棒性，即，对特征或参数扰动不敏感通过调节系统的扰动，成功地刻画了拓扑相和普通热相之间的界限

张旭对拓扑时间晶体的演化过程做了一个生动的比喻:就像一排孩子围着耳机听，每个孩子都要根据听到的音乐节奏转圈，还要相互配合，三三两两地完成杂技动作这些特别设计的杂技具有拓扑性质，可以通过量子效应‘纠缠’第一个和第二个孩子的舞蹈即使音乐的节奏发生了变化，仍然可以观察到两个孩子在最后有一种稳定的‘默契’，也就是某种周期性呼应的现象

研究团队认为，这种拓扑时间晶体的成功模拟证明了在超导量子芯片上使用数字量子模拟的可行性，并将启发人们在超导量子计算平台上探索更多新的物质和现象下一步，研究团队将继续拓展量子芯片的规模和性能，模拟性质更新，尺度更宽，物理内涵更丰富的量子问题，为量子算法的开发和应用提供基础平台