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量子自旋存在造就时间晶体存在

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发表于 2017-3-11 00:43:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
量子自旋存在造就时间晶体存在
何远洋
量子自旋存在是时间晶体存在的基础,逻辑推理来自一般晶体的周期性重复特征。这是从空间特征说的。由此时间晶体,不仅应该存在空间上的重复,而且存在时间上的重复。例如,它们是处在持续振荡的状态中,且没有任何能量。
这这正是一种自旋特征。而且人们已在用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋,以及超导体中的库柏对等物理系统,作为量子比特的方案,这使量子的自旋行为与经典物理的联系更紧密。但量子的自旋行为研究的科学发展,反过来也揭示出,经典物理的自旋概念天生的不足,从而,非引入环量子三旋概念莫属。
因为物体动量概念,虽然渊源于人们的日常语言交流,但人们对自旋、自转、转动等旋转概念的区分不大。这些概念都隐含有对称性,现用对称概念,对自旋、自转、转动作语义学定义:
A.自旋:在转轴或转点两边存在同时对称的动点,且轨迹是重叠的圆圈并能同时组织起旋转面的旋转。如上面讲的三旋。
B.自转:在转轴或转点两边可以有或没有同时对称的动点,但轨迹都不是重叠的圆圈也不能同时组织起旋转面的旋转。如转轴偏离沿垂线的地陀螺或回转仪,一端或中点不动,另一端或两端作圆周运动的进动,以及吊着的物体一端不动,另一端连同整体作圆锥面转动。
C.转动:可以有或没有转轴或转点,但都没有同时存在对称的动点,也不能同时组织起旋转面,但动点轨迹是封闭的曲线的旋转。如地球绕太阳作公转运动。
自旋的定义把进动和公转区别开来,同时又丰富了三旋的内容:
(1)用一系列平行的截面来切一个作自旋的物体,如果能在每个截面内找到一个不动的转点,且仅有一个转点的旋转,称为面旋。如果这些转点组成的转轴与截面正交,这些截面就称为面旋正面,这条转轴就称为面旋轴,也称面旋Z轴。
(2)物体作面旋,面旋轴只有一条,然而物体还可以绕面旋正面内的轴作旋转,这称为体旋。而这个面旋正面就称为体旋面,这根转轴称为体旋轴。过面旋转点的体旋轴可以有许多条。在体旋面内选定一条作体旋X轴,那么体旋面内过转点与它垂直的那一条轴就称为体旋Y轴。绕体旋X轴转90度,体旋面就与原先的位置垂直,体旋Y轴这时也与原先的位置相垂直,如果体旋绕X轴再转90度,体旋面就翻了个面。其次,体旋面还可以从开始位置转90度垂直起来时,停下来绕体旋Y轴作旋转;旋转到一定时候又可以停下来,再绕体旋X轴转90度从而回到开先的位置。从上可以看出,体旋实际比面旋复杂。
而这一点却让量子计算机原理研究的专家所忽视,例如,他们在阐释量子计算机能同时处于多个状态,且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图时,对量子位不动的几种陀螺旋转,就分辨不清,明显的错误是把陀螺绕Y轴的体旋称为“进动”,这是不确切的。
(3)磁场同线旋有关。用一系列体旋轴与面旋轴构成的截面去切一个作自旋的物体,每个截面能呈现宏观或微观闭封运动的涡线旋转,称为线旋。每个截面上的不动转点组成的圈线轴,称为线旋轴。线旋一般不常见,例如固体物质一般只有存在电磁场时才显现。即使如此,肉眼也不能看见磁力线转动,并且也难看见表面的分子、原子、电子等微观物质的运动。其次,线旋还要分平凡线旋和不平凡线旋。不平凡线旋是指绕线旋轴圈至少存在一个环绕数的涡线旋转,如墨比乌斯体或墨比乌斯带形状。同时,不平凡线旋还要分左斜和右斜。因此,不平凡线旋和平凡线旋又统称不分明自旋。反之,面旋和体旋称为分明自旋。
由于目前时间晶体的概念,已得到学界的证实。而且2016年加州大学伯克利分校等,已报道如何制造与刻画这种奇特的晶体,所以实验科学家有两组独立科学家团队,已经在实验室中制造出时间晶体,证实了这个全新物态的存在。
但时间晶体和量子理论,虽然把包括光、物质、能量甚至时间,都看成是以大量的量子形式显现的,并且这些量子是粒子和波的多种组合,以多种方式运动,然而它们对量子的拓扑几何形状抽象,却长期没有统一。一种认为量子是质点,如类粒子模型;一种认为量子是能量环,如类圈体模型。电子计算机属类粒子模型,因为它的微处理器是以大规模和超大规模半导体集成电路芯片为部件,这是以晶体能带p—n结法则决定的电子集群粒子性为基础得以开发的。而量子计算机如果属于类圈体模型,那么因为一台桌式量子计算机的基本元件,如核磁共振分光计,它操纵的是量子的自旋,这时类圈体模型,就最具有自旋操作的特色。
类圈体的三旋即面旋、体旋、线旋,不仅可以用作夸克的色动力学编码,这时也可以用作量子计算逻辑门的建造。因为类圈体的三旋根据排列组合和不相容原理,可构成三代62种自旋状态,并且为量子的波粒二相性能作更直观的说明:在类圈体上任意作一个标记(类似密度波),由于存在三种自旋,那么在类圈体的质心不作任何运动的情况下,观察标记在时空中出现的次数是呈几率波的,更不用说它的质心有平动和转动的情况。这与量子行为同时处于多种状态且能同时处理它的所有不同状态是相通的。而这正是量子计算机开发的理论基础,且能提高计算速度。
2017年3月9日国际物理学界发行的最新一期《自然》杂志,是以“时间晶体”作的封面。时间晶体的概念,以及用实验证实“时间晶体”,美国马里兰大学和哈佛大学的研究组,分别以不同的理论为支撑进行研究说明:时间晶体”这种物质的存在,在自然界中发生的可能性比想象中要高。联系自旋对称,哈佛大学的研究发现,时间晶体还能展示物理学关于“时间平移对称性的自发性破缺”的存在,但此意义的“时间晶体”研究,尚处在初级阶段。但众多研究人员也都认可:“时间晶体”能应用在量子计算机等领域。美国加州大学伯克利分校的科学家认为:“时间晶体带给我们的惊喜,不仅在于它证明了新的物态的存在,更在于它说明了非平衡态物质的存在。20世纪后半叶,我们一直在研究金属-绝缘体等平衡态物质,现在我们才开始探索非平衡态物质这一全新领域。”
时间晶体的概念,是2012年诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家弗兰克•维尔切克,首先预测了时间晶体的存在。他认为,普通晶体拥有在空间中重复排列的原子结构,例如钻石中的碳晶格。而爱因斯坦的相对论告诉,世界是四维的,除了三维的空间之外,还有第四维度,也就是时间。因此在时间上重复的晶体不仅存在,而且具有的性质,类似它在基态时,也会维持振荡的状态。但众所周知,通常当物质处于基态的零点能时,理论上是不可能发生运动的。因为运动需要消耗能量。但是维尔切克认为,这一通常假设并不适用于时间晶体。时间晶体就像果冻一样,一碰它就一直抖动。但它不消耗任何能量,时间晶体因在自然的基态条件下持续振荡类似“量子自旋”,它是不可能保持静止,这使得时间晶体成为一种拥有全新物态的非平衡态物质。如何创造并衡量时间晶体的特性呢?
时间晶体等价于固相、液相、气相的物态。时间晶体的存在不再只是推测。实验方法,例如来自马里兰大学的时间晶体,是通过将十个镱离子排成一列,并使它们的电子自旋相纠缠而得到的。将这样排列的镱离子变为时间晶体的关键,是使这些离子保持在非平衡态。为了达到这一目的,研究者们用两束激光对其进行交替照射。一束激光用于创造磁场,而另一束激光则用于快速地翻转部分原子自旋方向。由于所有原子的旋转纠缠在一起,这些原子最终进入一个稳定、重复的自旋翻转模型中,成为晶体。 但上述过程不足为奇,要创造时间晶体,系统必须打破时间对称性。在观察镱原子排列时,他们注意到了一些奇特的现象:定期照射镱原子的两束激光使镱原子系统产生了一种周期性重复,这一周期是激光照射周期的两倍,在通常的系统中观察不到这样的现象。这就是时间晶体的本质特点,当一个系统接受以T为周期的周期性驱动时,系统会产生一种‘同步’,因此会观察到系统以大于T的周期在振荡。而在不同的磁场和不同的激光脉冲中,时间晶体会发生物态改变,就像冰块融化一样。但来自哈佛大学的时间晶体,则与此不同。
哈佛大学是利用钻石中紧密包裹的氮-空位中心,制造时间晶体,也得到与马里兰大学相同的结果。在不同的系统中均观察到时间晶体这一事实,证实了对称性破缺基本可以发生在所有自然领域中,同时也为为研发量子计算机和量子传感器铺平了道路。因为对时间晶体来说,相干性持续很长时间且量子比特的密度非常大,比此前的量子系统长得多。另外从自旋来说,在电子计算机中比特一位的状态由0或1规定,两位就构成4种不同,即0与0,0与1,1与0,1与1;随着计算过程的进行,数据位很有秩序地在众多的逻辑门间移动,因此可能需要进行4次尝试才能打开。而一台由时间晶体构成的环圈类似两位量子计算机中,一个量子位可同时以0和1的状态存在,两个量子位也构成类似的4种不同状态,但量子位不需移动,要执行的程序被汇编成一系列的射频脉冲,通过各种各样的核磁共振操作把逻辑门带到量子位那里,该锁只用一步就被打开。
这一切用三旋理论很好理解:类圈体同时能作三旋,设体旋为0状态,面旋为1状态;线旋类似原子核磁场和外加磁场,它既能作方向定位又能对体旋和面旋方向进行操作,而且是远距离瞬时缠连的同时作用。这如花样游泳运动员在水中除能作各种表演外,还能听令于岸上的指挥。虽然人工制造三旋很难,但三旋却与物质的各个层次都有联系。例如在分子层次可以把DNA双螺旋结构看成多重类圈体,在原子层次可以把原子被看成单个类圈体。在量子计算机中,至少要用到两个原子,其中一个除起逻辑测定外,这个额外的位还能起内部量子误差自动校正纠错的作用。例如利用时间晶体中类圈体似的三旋之间的相互作用,建造一个量子受控非门:用一个振荡频率为400兆赫(即射频)的磁场,可以使被置于10特斯拉的恒定磁场内的一个时间晶体原子核圈发生体旋。设核圈的面旋轴向不是朝上就是朝下,即圈面在垂直于恒定磁场的水平方向。
设核圈的面旋轴向确定地朝上,即圈面也在水平方向,当一个适当的射频脉冲加上之后,可以使核圈面绕水平方向轴体旋到垂线方向,然后核圈将绕着垂线方向轴继续体旋,其体旋速度将取决于时间晶体原子或分子中,核圈的面旋轴向是否恰巧朝上。而经百万分之一秒的时间,核圈的面旋轴向将不是朝上就是朝下,这取决于邻近的核圈的面旋轴向是朝上或朝下。因为在那一瞬间再发射一个射频脉冲,使核圈面再绕水平方向轴体旋90度,这样,如果相邻的核圈的面旋轴向朝上,此操作就使核圈的面旋轴向朝下;而如果相邻的核圈的面旋轴向朝下,它就使核圈的面旋轴向朝上。可见时间晶体量子计算是借助于类圈体的三旋转动及“受控非门”的操作,因为作为这种逻辑门三旋基础的面旋轴向可以处于朝上和朝下,以及体旋可以绕水平和垂线轴向转动这两种状态的迭加中,因此,量子计算可以同时对一组似乎互不相容的输入进行操作。
这里把量子缠结看成是超光速,一是,三旋理论证明,任何量子本身就是一个类似超级陀螺仪的三旋陀螺,量子之间进行缠结,类似陀螺仪使用前进行的测量与标准之间作的调整校对,所以陀螺仪使用中间产生的任何测量信息,使用者之间都是明确的,即是“超光速”的。其二,超光速测量不能排除时间克隆。量子概率克隆应用于量子信息提取和量子态识别,是量子隐形传态的一个主要途径,类似电子传真、电子邮件;基因复制出一个古代的“冰人”,并不等于已经超光速地追上了远古的时间。正是从量子信息学的基础出发,有学者证明能够用3个基本部件构建出通用量子计算机:缠结粒子、量子移物器和每次处理单个量子比特的门。
例如从移物器制造两量子比特的方法,是采用经仔细修饰的缠结对把两个量子比特从门的输入传送到门的输出,而修饰缠结对的方法恰好是让门的输出接收适当处理的量子比特。这样,对两个未知的量子比特执行量子逻辑的任务,就简化为准备预先定义的特殊缠结对并进行传输的任务。显然,使移物成功率达到100%所需的完整贝尔态测量,本身就是一种两量子比特的处理过程。由于各个粒子的状态彼此紧密相关,一旦某个粒子的状态因受到测量而确定下来,其它粒子的状态也随之确定。但区区几个量子比特不足以实现任何稍微复杂的运算功能,要制造出实用的量子计算机,就必须掌握大量时间晶体粒子实现“缠结”状态的技术。

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