在量子处理器上实现拓扑有序时间晶体

Josiah02

在《自然通讯》杂志发表的一项新研究中，科学家首次在量子处理器上实现了拓扑有序时间晶体。
这标志着量子技术的新时代，因为时间晶体与拓扑序的结合历来具有挑战性。然而，实现这种结合可以增加系统的稳定性和稳健性，这是量子计算应用的必要条件。
时间晶体是科学界最近才引入的概念，这一概念由诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克于 2012 年首次提出。时间晶体是一种量子系统，可以在状态之间自然振荡，无需持续的外部能源。
简单来说，时间晶体是一种材料，其中的原子按时间周期性排列，而不是像普通晶体（如钻石）那样按空间周期性排列。
系统在振荡过程中始终处于最低能态，即基态。时间晶体于2017年得到实验证实，在各种量子技术中具有潜在应用。
由于时间晶体具有动态特性，因此在时间晶体中实现拓扑顺序或全局顺序可能具有挑战性。研究团队旨在通过展示拓扑有序的时间晶体来弥补这一差距。
Phys.org 采访了该研究背后的一些研究人员，包括浙江大学的向亮博士、姜文杰、包泽航、郭秋江助理教授、王浩华教授以及清华大学的邓东岭副教授。
谈及将拓扑有序时间晶体变为现实的过程，研究人员表示：“理论物理学家和实验团队的合作使这个美丽的项目得以实现。我们的目标是推动对周期驱动系统中拓扑顺序的理解。”
时间晶体的独特性
时间晶体表现出一种称为时间平移对称性破缺的现象。时间平移是系统的一种特性，即系统的状态不会随时间而改变。
在时间晶体中，这种对称性被打破，因为时间晶体会在不同状态之间周期性振荡。时间晶体的独特之处在于它们可以随时间表现出周期性运动而不会耗散能量。
然而，它们并不违反保护法则。
在初始推力作用下，系统开始以低于驱动力的频率振荡。由于多体相互作用，振荡可以自我维持，从而产生集体同步振荡。
由于缺乏平衡，它们即使在基态下也能无限期地保持运动。这种对称性破坏是一种非平衡物质，它凸显了时间晶体的独特性。
拓扑序
一个系统可以通过两种类型的属性来表征——局部和全局。
局部属性取决于系统内的特定环境或位置，例如原子的自旋或磁矩。
另一方面，全局属性取决于整个系统。这些属性是长程的，而局部属性是短程的。全局属性的一个例子是超导性。
拓扑序是系统的一种全局属性，不通过局部扰动或噪声来描述。它是由于系统内的长程纠缠而产生的，这意味着系统某一部分的变化会影响系统的另一部分。
量子计算机很容易受到来自环境的错误或噪音的影响。这些错误或噪音会与系统相互作用，导致相干性丧失。这意味着系统无法再保持叠加和纠缠，而这正是量子系统的核心特征。
由于拓扑序对局部扰动具有稳定性，因此对拓扑量子计算具有重要意义。
在时间晶体中引入拓扑序的挑战在于它们的动态性质。拓扑序需要稳定性和平衡状态，而时间晶体并不具备这些特性。
可编程超导量子比特
研究人员使用 18 个可编程超导 transmon 量子比特设置了他们的处理器，这些量子比特排列在二维方格中。这些量子比特比其他量子比特更稳定。
方格晶格有利于量子比特的相互作用，有助于产生量子算法和纠错（降噪）所需的纠缠。
研究人员强调了他们的装置的一个关键特性——表面代码。
“表面码不仅是量子纠错最成功的模型之一，而且还支持奇异的拓扑有序相。浙江大学实验团队开发的量子处理器自然符合表面码模型。”
他们解释说：“这使其成为探索这些难以捉摸的拓扑有序状态的理想试验台，并可能将其边界从平衡系统扩展到非平衡系统。”
他们的处理器拥有 700 个电路层深度，可以运行 2,300 个单量子比特门和 1,400 个双量子比特门。这证明了它能够处理大型复杂计算的能力。
该平台还可以模拟四体相互作用，这是复杂系统建模所必需的。此外，神经进化算法还用于寻找量子电路的最佳配置，这可以提高计算的效率和有效性。
研究人员补充道：“为了满足观察长寿命拓扑时间晶体动力学的严格要求，我们付出了巨大的努力来提高处理器的性能，现在该处理器具有最先进的门保真度和量子比特相干时间。”
稳健稳定的拓扑时间晶体序
研究人员发现，该系统即使在处理噪声时也能在驱动力的分数频率下保持稳定的行为，证明了其稳定性。该系统在受到干扰后也能稳定下来，不会出现任何不必要的振荡。
该系统在小波动下也能保持稳定，这意味着它可以在嘈杂的环境中运行。当面临更强的干扰时，系统就会失去其时间晶体般的行为。
研究小组发现，该系统的拓扑纠缠与理论预测的纠缠相符，表明其特性稳健且定义明确。
对于四体量子比特相互作用，该系统能够成功测量，且精度较高。该系统还能创建和验证周期性驱动的量子态，支持其时间周期行为。
研究人员评价了他们系统的潜力，说：“我们相信，随着系统尺寸、控制精度和相干时间的增长，超导处理器将使科学家能够探索天然材料中无法获得的更多奇特的非平衡物质相。”
他们还提到，他们的实验已经证明了实现 Floquet 富集拓扑序所需的所有必要构建模块，该拓扑序包含动态任意子置换和突发非阿贝尔任意子。
他们评论道：“对这种非常规现象的观察也标志着我们向加深对奇异非平衡相的理解迈出了重要一步。”