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西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心科學(xué)家利用超導(dǎo)量子計算機，成功構(gòu)建出迄今最復(fù)雜的時間晶體，為新材料設(shè)計提供了新途徑。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《自然·通訊》雜志。
所謂時間晶體，是一種在時間維度上周期性重復(fù)的特殊量子態(tài)，正如普通晶體中的原子在空間中有序排列，時間晶體則在時間中“自我循環(huán)”，仿佛永不停歇的鐘擺。這一看似違背直覺的現(xiàn)象曾引發(fā)對物理定律的質(zhì)疑，但近十年來，科學(xué)家已在實驗中多次實現(xiàn)時間晶體。借助IBM的超導(dǎo)量子處理器，研究團(tuán)隊此次創(chuàng)造出前所未有的二維時間晶體，將該領(lǐng)域的復(fù)雜度推向新高度。
此前的時間晶體多為一維結(jié)構(gòu)，形如一條原子鏈。而此次研究使用了144個超導(dǎo)量子比特，以蜂窩狀網(wǎng)格排布，每個比特模擬一個量子自旋，彼此之間可通過編程調(diào)控相互作用強度。隨著時間演化，系統(tǒng)自發(fā)進(jìn)入穩(wěn)定的周期性振蕩狀態(tài)，這正是時間晶體的核心特征。
團(tuán)隊不僅實現(xiàn)了更高維度的構(gòu)造，還繪制出了系統(tǒng)的相圖——即不同參數(shù)下物態(tài)的完整分布圖。這如同水的相圖揭示其固、液、氣三態(tài)轉(zhuǎn)變條件，相圖的建立為理解復(fù)雜量子材料提供了關(guān)鍵路徑。
盡管實驗依托量子硬件完成，但受限于當(dāng)前設(shè)備的噪聲與誤差，研究仍需結(jié)合傳統(tǒng)計算方法進(jìn)行校驗。IBM科學(xué)家杰米·加西亞表示，這場“經(jīng)典”與“量子”之間的對話，正是通向未來新材料設(shè)計的重要一步。
他強調(diào)，這項模型之復(fù)雜，已超出傳統(tǒng)計算機無近似求解的能力；而量子計算機雖具潛力，卻尚不完美。正因如此，兩種方法的互補協(xié)作，有望推動對量子世界更深層的理解。
中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師黃飆表示，二維系統(tǒng)的數(shù)值模擬極其困難，擁有百量級量子比特的大規(guī)模量子模擬，將成為未來研究的錨點。這一突破不僅是量子物質(zhì)探索的重大進(jìn)展，更有望橋接量子計算與量子傳感中的奇異態(tài)，開啟跨領(lǐng)域應(yīng)用的新可能。（科技日報 記者劉霞）
