编织时间晶体
图片来源：Bomantara和Gong. ©2018年美国物理学会
在过去的几年中，物理学家预测被一种称为时间晶体的新物质形式可能在量子计算中有潜在的应用。现在一项新的研究中，新加坡国立大学的物理学家Raditya Weda Bomantara和Gongbin Gong已经开始着手采取措施来确切地说明如何将其实现。他们从理论上证明，通过编织两种不同的时间晶体模式，可以生成进行通用量子计算所需的状态。
自从2012年Frank Wilczek首次提出这一概念以来，时间晶体已经引起了物理学家的关注。2017年，时间晶体在实验中首次得以实现。普通晶体的特征在于它们在空间中的重复模式，而时间晶体——总是在移动——具有独特的特征，它们的运动在时间上表现出重复模式。为了实现时间晶体，周期性驱动的激光器将粒子置于运动中的超导回路中。当系统以精确的方式操作时，粒子的运动会以周期性的方式集中同步，从而产生时间晶体。
在这项新研究中，Bomantara和Gong开发了一种方法来利用时间晶体的独特性质进行基于编织的量子计算。为此，他们转向一种特定类型的时间晶体，被称为Majorana时间晶体，其名字来自它创建的方式。Majorana时间晶体是来自超导链中两种类型的Majorana边缘模式(0和π)之间的量子相干性。
选择Majorana时间晶体的原因是它们与一类称为非阿贝尔任意子(non-Abelian anyons)的准粒子有相似之处，它们可以编成辫状，最近被认为是拓扑量子计算机的一个潜在组成部分。通过与非阿贝尔任意子建立的这种连接，物理学家表明可以模仿Majorana时间晶体中的非阿贝尔编织(non-Abelian braiding)。
“笼统地讲，编织是指交换两个粒子的位置。”Gong说，“为了进行这种交换，这些粒子将被系统地相互移动，这样，如果我们画出两个粒子在时空中横穿的路径，它们会形成一个辫子。我们在现实生活中知道有不同类型的辫子，并且将一个辫子转换为另一辫子需要某些自然无法做到的操作。因此，通过将信息存储在这些不同类型的辫子中，我们可以通过将一种辫子变成另一种辫子(因此被称为编织)来操纵这些信息(因此就会执行量子计算)，而不必担心一些外部干扰可能会破坏它们。”
新研究中的编织方法由四个步骤组成，包括缓慢调整产生Majorana时间晶体的系统参数。在每个步骤中，0和π模式都会移动变化，以便在整个过程结束时，转换序列会产生一个完整的编织操作将系统重置为其初始配置。
未来，时间晶体可能会导致执行某些量子计算任务的新方法。考虑到这个目标，物理学家还表明，他们的量子控制协议可以应用于时间晶体以生成“魔法状态”(magic states)，这是量子计算的基本要求。
“编织时间晶体对于量子计算有潜在的用处，因为我们利用它们的时域特征，因此获得更多用于编码信息的量子比特，从而节省硬件资源。”Gong说。
未来，物理学家计划进一步探索编织时间晶体的可能性。一方面，他们期望将一根超导线扩大到一组线以便让他们可以模拟更复杂的编织过程。
“鉴于我们现在已经展示了如何将时间维度用作执行量子计算的资源，我们想到的一个未来方向将是通过在时间方向上扩大系统以及通过在周期性驱动的量子线中使用更多的Majorana模式，来探索以更少的物理资源存储和操纵信息的可能性。”Gong说，“作为一个长期目标，我们计划用这个想法来设计一个具有最佳的资源量的强大的量子计算机体系结构——也就是说，它的物理尺寸相对较小，但操作时间不长。”
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