首次在量子计算机上实现二维离散时间晶体
发布时间：2026-02-03 15:54:29 阅读数： 46
随着物理系统所处维度的增加，其复杂性和实验室模拟难度都会显著提升——量子系统更是如此。虽然离散时间晶体（DTC）此前已在一维空间中得到验证，但二维DTC的存在一直停留在理论层面。然而，一项发表于《自然通讯》的新研究利用144量子比特量子处理器，在二维系统中成功实现了DTC。
什么是离散时间晶体？
与常规晶体材料类似，双晶类晶体（DTC）也表现出某种周期性。然而，人们通常熟悉的晶体材料在空间中具有周期性重复的结构，而双晶类晶体中的粒子则随时间呈现周期性运动。它们代表了一种在周期性驱动力作用下打破时间平移对称性的物质相，并且无法达到平衡状态。
“因此，局部可观测物理量表现出周期为驱动频率倍数的振荡，这种振荡在完全孤立的系统中会无限期地持续下去。这种次谐波响应代表了离散时间平移对称性的自发破缺，类似于传统固态晶体中连续空间对称性的破缺，”这项新研究的作者解释道。
尽管理论论证对二维中多体局域化（MBL）的稳定性提出了质疑（DTC 正是从 MBL 中产生的），但在一维伊辛模型和一些实验装置中已经观察到了 DTC。
由自旋翻转耦合驱动的二维相变。
逐步过渡到二维
在这项新研究中，研究人员将最新一代IBM 量子处理器与最先进的张量技术相结合。
他们利用网络方法，在二维系统中实现了DTC的存在。为此，他们使用了IBM的156量子比特Heron r2量子处理器，重点研究了一个144量子比特的装饰六边形晶格。
DTC系统受各向异性海森堡相互作用支配，其中交换耦合强度沿不同的空间或自旋方向存在差异。这项工作表明，在高维空间中，具有复杂自旋相互作用的周期性驱动可以产生稳定的非平衡相，即使在局域化较弱的情况下，也能稳定二维DTC。所涉及的多体局域化机制提供了足够的抗热化保护，从而保证了稳定的次谐波响应。
研究团队还构建了DTC的相图——该图展示了构成时间晶体的物质在不同条件下所处的相态。就此而言，这些相态包括：自旋玻璃相、遍历相和时间晶体相。
该研究展示了当前量子计算机在探测物质新状态方面的强大能力，并为进一步的发现提供了机会。
该研究的作者写道：“这项工作中提出的方法为探索大型量子系统以及在当前量子硬件上（即使在存在噪声的情况下）出现奇异的物质相开辟了道路。”
