時間晶體的成功，或可在谷歌的懸鈴木量子計算機中，助科學家一探量子力學的究竟
這種晶體能在不同狀態間永遠循環且不損失能量。
時間晶體制造于谷歌的“懸鈴木”芯片中，該芯片在其量子低溫恒溫器中保持冷卻。（圖片來源：埃里克·盧塞羅/谷歌公司）
與谷歌合作的研究人員剛剛使用這家科技巨頭的量子計算機創造了一個全新的物質相位——時間晶體。
由于時間晶體能在兩種狀態間永遠循環而不損失能量，它避開了最重要的物理定律之一——熱力學第二定律，即孤立系統的無序度或熵必須始終增加。這些奇怪的時間晶體盡管處在恒定的流動狀態中，卻保持穩定并抵抗任何隨機性的溶解。
根據發布在預印本數據庫（arXiv）上的一篇研究文章，科學家們能在谷歌的“懸鈴木”量子處理器內核中的量子位（量子計算的傳統計算機位版本）中創建大約100秒的時間晶體。
這一奇特的新物質相的存在，以及它所揭示的全新物理行為領域，令物理學家們無比興奮，尤其是因為時間晶體在九年前才首次被預測存在。
“這是一個巨大的驚喜，”英國伯明翰大學的物理學家柯特·馮·凱瑟林克（Curt von Keyserlingk）雖沒有參與這項研究，但他告訴《生活科學》（Live Science），“如果你在30年、20年甚至10年前問某人，他們都不會想到這一點。”
物理學家對時間晶體非常著迷，因為它們基本上避開了熱力學第二定律——物理學中最固若金湯的定律之一。它指出熵（系統中無序量的粗略模擬）總是增加。如果你想讓一切變得更加有序，你需要投入更多精力。
這種無序增長的趨勢解釋了很多事情，比如為什么把原料攪拌成混合物比再次把它們分開更容易，或者為什么耳機線在褲子口袋這么容易打結。它還設定了時間之箭，過去的宇宙總是比現在更有秩序；例如，反著觀看視頻可能會讓你覺得奇怪，主要是因為你正在目睹這種熵流的反認知逆轉。
熱力學第二定律表示所有系統都朝著更無序的狀態演化，能量在整個系統中均勻地共享。（圖片來源：由通用圖像組的通用歷史檔案館提供，引自蓋蒂圖片社）
時間晶體不遵循這個規則。它們不是緩慢地接近熱平衡——“熱化”使時間晶體的能量或溫度均勻地擴散到周圍環境中，它們被困在平衡狀態以上的兩個能量狀態之間，在它們之間無限期地來回循環。
為了解釋這種行為有多么不尋常，馮·凱瑟林克說，想象一個裝滿硬幣的密封盒子，被搖晃了一百萬次。隨著硬幣的搖晃、碰撞，它們“變得越來越混亂，探索它們可以探索的一切形態”，直到晃動停止，盒子被打開，大約一半的硬幣朝上，一半朝下，呈現出硬幣的隨機形態。我們期望看到這個隨機的、一半向上、一半向下的端點，無論盒子中硬幣第一次的排列方式如何。
在谷歌“懸鈴木”的“盒子”里，我們可以像理解硬幣一樣去了解量子處理器的量子比特。就像硬幣可以是正面或反面，量子位也可以是1或0——兩態系統中的兩個可能位置——或者兩種狀態概率的奇怪組合，稱為疊加。馮·凱瑟林克說，時間晶體的奇怪之處在于，再多的搖動或從一種狀態到另一種狀態的跳躍都不能將時間晶體的量子位移動到最低能量態這一隨機形態；他們只能將其從起始狀態翻轉到第二狀態，然后再重來一遍。
“這有點兒觀點大反轉的意思”，馮·凱瑟林克說，“它最終看起來并不是隨機的，它只是被卡住了。就好像它記得最初的樣子，然后隨著時間的推移重復這種模式。”
從這個意義上說，時間晶體就像一個永遠不會停止擺動的鐘擺。
“即使你在物理上將鐘擺與宇宙完全隔離，那么沒有了摩擦力和空氣阻力，它最終也會停止。其緣由是熱力學第二定律的存在。”英國拉夫堡大學物理學家阿基利亞斯·拉扎里季斯（Achilleas Lazarides）2015年首次發現新階段理論可能性的科學家之一，他告訴《生活科學》（Live Science），“能量一開始集中在鐘擺的質心，但所有這些內部自由度——就像原子在桿內振動的方式一樣——最終都會被轉移到其中。”
事實上，一個大型物體要想表現得像一個時間晶體，就不可能不聽起來很荒謬，因為使時間晶體得以存在的唯一準則是一些詭異而超現實的規則，這些規則統治著非常微觀的世界——量子力學。
在量子世界中，物體可以同時表現為點粒子和小波，在空間中給定的任何區域中這些波的大小代表在該位置找到粒子的概率。但隨機性（例如晶體結構中的隨機缺陷或量子比特之間相互作用強度中的程序隨機性）可能會導致粒子的概率波在一個非常小的區域之外的任何地方消失。定在原地、無法移動、改變狀態或與周圍環境一起“熱化”，粒子就會被鎖在局部范圍里。
研究人員以這一鎖定過程為實驗的基礎?？茖W家們用20條超導鋁作為量子位，將每一條設定為兩種可能態之一。然后，通過在鋁條上發射微波束，便能夠促使量子位翻轉狀態；研究人員重復了數萬次實驗，并在不同的點停止，以記錄他們的量子位所處的狀態。他們發現，他們收集的量子位只在兩種配置之間來回翻轉，而且這些量子位也不會吸收微波束的熱量——這意味著，他們制作出了一個時間晶體。
他們還發現了一個關鍵線索，即他們的時間晶體是物質的一個階段。對于被視為一個階段的事物，它通常必須在波動面前非常穩定。如果周圍的溫度稍有變化，固體就不會融化；輕微的波動也不會導致液體蒸發或突然凍結。同樣，如果用于在狀態之間翻轉量子位的微波束調整到接近但稍微偏離完美翻轉所需的180度，量子位仍然會翻轉到另一個狀態。
“如果你沒有完全處于180度，你就不會擾亂它們，”拉扎里季斯說，“神奇地是，即使你犯了一點點小錯誤，它（時間水晶）也總會傾斜一點點。”
從一個階段移動到另一個階段的另一個標志是物理對稱性的打破。所謂物理對稱性是在時空的任何節點上，物體的物理定律都是相同的。作為一種液體，水中的分子在空間中的每個點和每個方向都遵循相同的物理定律，但將水冷卻到足夠低，使其轉化為冰，其分子將沿著晶體結構（或晶格）選擇規則的點來排列。突然間，水分子在空間中有了優先占據的點，而它們離開之處的其他點的位置則空出來——水的空間對稱性就被自發地打破了。
就像冰在空間中通過打破空間對稱而變成晶體一樣，時間晶體在時間中通過打破時間對稱而變成晶體。首先，在轉變為時間晶體相之前，這一排量子比特將在時間的所有時刻之間經歷一個連續的對稱性。但微波束的周期性循環將量子位所經歷的恒定條件分解為離散包（使微波束施加的對稱性變成離散時間平移對稱性）。然后，通過以兩倍于光束波長的周期來回翻轉，量子比特打破了激光施加的離散時間平移對稱性。它們是我們所知道的第一批能夠做到這一點的物體。
所有這些奇怪之處使時間晶體富含新的物理元素，“懸鈴木”為研究人員提供的超越其他實驗裝置的控制可能使其成為進一步研究的理想平臺。然而，這并不是說它無法被完善。與所有量子系統一樣，谷歌的量子計算機需要與環境完全隔離，以防止其量子比特經歷一個稱為退相干的過程，這個過程最終會破壞量子局部化效應，破壞時間晶體。研究人員正在研究如何更好地隔離處理器，減輕退相干的影響，但他們不太可能永遠消除這種影響。
盡管如此，在可預見的未來，谷歌的實驗可能仍然是研究時間晶體的最佳方式。盡管許多其他項目以其他方式成功地制造出了令人信服的時間晶體——鉆石、氦-3超流體、稱為磁振子的準粒子以及玻色-愛因斯坦凝聚體——但在這些裝置中產生的晶體大多消散得太快，無法進行詳細研究。
這種晶體在理論新穎性方面是一把某種程度上的雙刃劍，因為物理學家目前正努力為其找到明確的應用，盡管馮·凱瑟林克（von Keyserlingk）曾建議將其用作高精度傳感器。其他建議包括使用這些晶體進行更好的存儲，或者開發具有更快處理能力的量子計算機。
但從另一個意義上講，時間晶體的最大應用可能已經在這里：它們允許科學家探索量子力學的邊界。
“它不僅可以讓你研究自然界中出現的事物，還可以設計自然界?？梢钥纯戳孔恿W讓你做什么，不讓你做什么。”拉扎里季斯說，“如果你在自然界中找不到某種東西，那并不意味著它不存在——而意味著，我們只是創造了其中的一種。”
BY: Ben Turner
來自：天文在線
