Local error correction prolongs time-crystalline memory
本研究表明，在超导量子处理器上实施随机局部比特翻转纠错，可以显著延长二维离散时间晶体的寿命并稳定其空间有序性，从而克服了通常限制其持续时间的环境限制。
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在量子物理那宁静且受控的世界里，研究人员正在学习如何制造出不仅仅是计算数字，而是能模拟物质本身行为的机器。这些量子模拟器充当了可控的实验室，科学家可以在其中观察粒子群是如何相互作用的，从而窥见那些即便对于最强大的经典计算机也难以预测的复杂行为。在他们研究的最引人入胜的现象中，包括“时间晶体”。与在空间中重复原子模式的普通晶体（如钻石或食盐）不同，时间晶体在时间中重复其模式。这是一种特殊的物质状态，当受到规律性的推动时，它会进入一种与推动频率不匹配的节奏。它并不会在每次推动后都弹回原始状态，而是以一种稳定的、重复的周期进行往复翻转，其持续时间远超能量输入通常允许的范围。这种行为是一种挑战了系统因能量流失而趋于平稳的常规倾向的有序性，但在现实世界中，这些脆弱的节奏极易被噪声和设备中的缺陷所破坏。
多特蒙德工业大学的一个物理学家团队现在找到了一种方法，可以比以前更长久地保护这种脆弱的节奏。通过使用超导量子处理器，他们在一个由蜂窝状排列的相互作用自旋组成的模型上，测试了一种“局部纠错”的方法。在实验中，研究人员对一组多达68个物理量子比特（即量子计算机的基本信息单元）施加了一系列脉冲。在没有任何干预的情况下，机器的自然噪声和脉冲中的缺陷会导致时间晶体的节奏迅速消逝。然而，团队引入了一种新策略：他们在模拟过程中加入了一层主动监测与纠正。他们利用被称为“辅助量子比特”（ancillas）的额外量子比特，在不干扰整体状态的前提下，不断检查相邻量子比特之间的关系。如果检查发现了一个微小的错误，例如单个自旋翻转方向错误，系统会立即施加针对性的纠正来修复它。这个过程并非完美；它是随机应用的，意味着它以一定的概率发生，而非在每一个步骤都执行，并且它只专注于修复“比特翻转”错误，而忽略其他类型的错误。
结果表明，这种主动干预显著延长了时间晶体记忆的寿命。当研究人员以较高的激活概率应用这种纠正时，系统的节奏比在没有纠正的情况下运行相同的模拟时，持续时间增加了近两倍。在较小的测试区域，记忆衰减时间从约6赋6个周期增加到了133个周期。在较大的测试区域，其在空间有序性方面的提升更为显著：在原始驱动下，自旋呈现出高度无序的状态，而经过纠正后的系统则在整个晶格上保持了强烈的对齐。研究人员观察到，纠正不仅让自旋在时间上保持同步，还让它们在空间位置上也保持相对一致，抑制了邻居指向相反方向的“不一致键”。有趣的是，他们发现仅仅测量系统而不修复错误实际上会让记忆衰减得更快，这证明了正是纠正行为本身，而非仅仅是观察，才维持了这种有序性。
这项研究还揭示了当驱动脉冲未经过完美调谐时的系统行为。当研究人员调整脉冲角度，使其处于理论上时间晶体节奏应当消失的设置时，纠正方法便无法再维持全局的翻转模式。尽管时间记忆丢失了，但自旋的局部对齐仍然保持得异常强韧。这表明，虽然局部纠正可以修复微小的局部错误，但它无法克服当系统被驱动得离理想状态过远时所产生的根本性加热和无序。此外，研究人员分析了自旋构型的分布，发现纠正倾向于创造大面积、连通的翻转自旋区域，而非零散、随机的错误。这表明系统不仅是在修复单个错误，还在维持大规模的结构，即使这些结构有时会被整体翻转。
为了理解这种被保留状态的深层本质，团队研究了小规模量子比特组之间的量子纠缠。他们发现，纠正过程有助于在更长时间内维持这些量子连接，尤其是在系统接近理想时间晶体区间时。然而，随着系统偏离这一区间，纠缠开始消退，纠正也无法阻止系统陷入混沌的热平衡态。研究人员得出结论，虽然局部纠错是延长非平衡态量子寿命的有力工具，但它并不是抵御所有形式衰减的神奇护盾。它在底层物理机制支持有序性的情况下效果最佳，并且需要测量与干预之间的精细平衡。通过展示局部恢复可以将时间晶体记忆的持续时间延长一倍以上，这项工作为构建能够更长时间探索复杂物理现象的、更稳健的量子模拟器迈出了坚实的一步。
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