火炬电子

我们设计了“磁通电容器”,但它不能带我们《回到未来》

2018-08-01

在1985年的电影《回到未来》中,由发明家Doc Brown设计的神器磁通电容器(flux capacitor)让Marty Mcfly拥有了穿越时空的能力。

正如在最近的《物理评论快报》中详细介绍的,我们现在已经开发出了我们自己的磁通电容器。

虽然我们不能把DeLorean汽车送回过去,但我们希望它可以在通信技术和量子计算中有重要的应用。

你问我们是如何做到的?这一切都与对称有关。科学中有很多对称性,其中就包括时间反演对称性。

时间反转

时间反演对称是物理学家喜欢思考的一种复杂的对称性,它既依赖于想象也依赖于现实。

假设你拍摄了一部有关一个事件的电影。然后你可能会问:“如果我把电影倒着放给我的朋友们看,他们能看出来么?”

这似乎是显而易见的:人们通常不会倒着走路或反着说话;洒出的牛奶不会自动的流回到纸盒里;高尔夫球不会奇迹般地从球道向后发射,完美平衡地落到球座上还同时被球杆接住。

但从微观层面看,就不是那么明显了。两个台球的碰撞情形即便反过来看也是非常相似的;对于两个原子互相碰撞的情形就更是如此了。一束光沿着一个方向传播所遵循的物理定律与沿相反方向传播所遵循的定律并无二致。

事实上,如果我们把物理基础方程中的时间这一物理量用它的负数代替的话,这个方程本质上是没有改变的。但这个数学变换却逆转了方程中时间的流动方向。

由于在这种数学变换下,物理学的微观定律似乎没有发生变化,因此,虽然我们实际上不能逆转时间,但我们可以说宇宙具有时间反演对称这一特性。不像布朗博士,我们并不能让时钟真的反转。

这是一个概念上的冲突。在宏观尺度上,宇宙的熵,也就是一种对无序或随机性的度量,其实是一直在增加的,所以时间存在的一个明确的方向。

从我们的日常经验中我们知道:炒过的鸡蛋不可能回到初始的状态。那么,在微观定律可逆的情形下,这种不可逆性的事件是如何发生的呢?这依然是一个谜。

循环器电路

微观可逆性是一项重要的技术挑战。它使得电路周围的电子和无线电信号变得很复杂。

在众多应用中,工程师们希望电路中的电磁信号(如光或无线电波)表现地像环形路口的汽车一样。

如下图所示:从端口A进入的信号应该指向端口B;从端口B进入的信号应该指向端口C;从端口C进入的信号应该指向端口A,信号沿着设备的顺时针方向传递。

一种方法就是使用一组放大器来按需要交换信号。但在量子力学中一个重要结果不可克隆定理告诉我们,放大必会增加噪声或随机性。那么只能对音响发烧友说:抱歉,完美的放大器是不可能存在的。

如果信号极其微弱,以至于额外的噪声是无法忍受的,那么就可以通过一种称作循环器(circulator)的装置来实现无噪声循环了。这种设备用于将传向敏感电子设备以及从敏感电子设备中发出的微弱信号分离出来。这些敏感电子设备既包括雷达接收器,也包括现有的和未来的量子计算机。

事实证明,像这样的设备必须在局部打破时间的反演对称性。如果我们把从循环器进入和发出的信号拍成一部电影,然后倒着播放,它看起来就不一样了。比如说,我们就会看到一个从端口B进入的信号会从端口A离开,而并非通过端口C。

但量子研究实验室中的大多数设备,比如镜子、分束器、激光器、原子都不会破坏时间反演对称性,所以不能用来作为循环器。所以我们还需要别的东西。

对于实际设备来说,打破时间反演对称性的可用方式就是引入磁场。就像水中旋转的漩涡一样,因电回路中循环的电流产生的磁场也存在循环。

磁场定义了带电粒子的旋转方向(顺时针或逆时针),从而定义了电信号的方向。所以当物理学家说一个设备打破了时间反演对称性时,通常意味着在某处存在一个磁场。

商用循环器在电子产品领域中是一个异数。与晶体管、二极管、电容器和其他电路元件不同,基础材料科学意味着商用循环器还没有被小型化,仍旧有硬币这么大。

因此,把它们制作到大规模集成的微电子电路中将是一个挑战。当每个量子位都需要自己的循环器来实现控制和读出,而我们又试图在量子计算机芯片上安装数千个量子位的时候,这就成变得非常棘手了。

我们的量子通量电容器

我们开发了一种制造微型循环器的新方法,这种循环器可以装配在微芯片上。

我们想出了如何将磁通量子——磁场的最小单位——与微加工电容器和其他超导电路元件结合起来,从而打破时间反演对称性。

这就引出了我们新的循环器提案。与传统的循环器一样,也存在磁场。但因为我们可以只用一个磁通量子,我们的设计可以是微观的。

我们把这个装置成为量子通量电容器(quantum flux capacitor),因为它的电路图与布朗博士的神秘发明有相似之处。

遗憾的是,对于历史爱好者来说,我们的设计对DeLorean时光机没有多大帮助:因为它不能逆转时间。但是它的磁场确实打破了时间反演对称性,我们预计这些设备将在未来的量子技术中得到应用。

甚至更早的,它们有可能在高带宽通信环境方面有所建树,比如在人群非常密集的环境中移动电话基站方面,或者在电磁场中每个光子都计数的高灵敏度雷达方面的技术中得到应用。

 

关于作者:

Thomas Stace

昆士兰大学物理学教授

Clemens Müller

瑞士苏黎世联邦理工学院量子技术研究员

 

本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。


(翻译:梁玉麟;审校:戴晨)

 

文章来源[The Conversation]:

https://theconversation.com/weve-designed-a-flux-capacitor-but-it-wont-take-us-back-to-the-future-92841



转载自环球科学https://www.cdstm.cn/gallery/hycx/qyzx/201807/t20180727_834791.html