近日，来自澳大利亚墨尔本大学的物理学家菲利普·弗雷（Philipp Frey）与斯蒂芬·雷切尔（Stephan Rachel）再次将时间晶体搬上世界舞台。

据悉，他们运行基于 IBM 研发的量子计算机，编程出一个包含 57 个量子比特的时间晶体。时间晶体是“一个可以时间上锁定一个永久循环的量子粒子系统”，类似于实际晶体中原子的空间重复分布模式。

该时间晶体超越了谷歌此前的成果，成为目前最大的时间晶体。

该研究成果展现了量子计算机的特有实力，即能够模拟出原本仅会存在于理论世界中的复杂系统。

值得一提的是，研究人员重点探索了该时间晶体的随机初始状态，还通过对比消失和有限无序两种情形深入认识了多体局部化和预热化动力学的不同。

2021 年，谷歌宣布首次使用自研量子计算机创造出时间晶体（Time Crystals），该时间晶体通过局部可观测性推翻了时间平移对称性理论，并保留对不确定初始状态的记忆。

什么是时间晶体

时间晶体英文名为 time crystals，也叫时空晶体（space-time crystals），是一种在空间和时间上都有周期性结构的四维晶体。我们日常所接触的都是固、液、气三种基本物质形态，但随着科学的发展，物质形态的概念也得到扩展，比如等离子体态、波色-爱因斯坦凝聚态、超临界流体等。时间晶体是一种全新的物质形态，也是一种打破时间平移对称性的非平衡态物相。

时间晶体的概念最早是由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在 2012 年提出的。

三维空间的晶体我们并不陌生，比如冰块、钻石等。晶体是微观粒子在空间上周期性排列的几何对称结构。维尔切克在给学生上课时开始思考，能否把三维晶体的概念拓展到四维时空中，让物质在时间的维度上周期性排列。也就是说，时间晶体在不同时刻具有不同的状态，并且这种状态的变化具有周期性。举个通俗的例子，一个时间晶体可能第一秒是白糖，第二秒是红糖，第三秒又变回白糖。

威尔切克提到，由于原子间力的方程并无特定限制，所有原子都有相同的概率出现在任何地方，且原子足够冷却时就会自发地出现。

不过，只要有几个原子开始彼此贴近，就可以预测出下一个原子的位置，这时暗藏在原子相互作用中的空间布局就会显露出来。那么，类似情况是否也适用于时间尺度？

于是，威尔切克提出这样一个设想：在能量最少的状态下，是否存在一个可基于不随时间变化的相互作用力仍能执行循环的量子粒子系统。

当时的实验结果证明，这是不成立的。此后，在 2016 年，有两个科研小组使用可被外部因素反复刺激的系统对该设想进行了重新验证。他们发现，在特定的条件下这种系统能进入到一种随时间变化的模式，并以比刺激物更低的频率重复出现。而时间晶体的一个显著特点之一就是低频率响应。

据悉，该系统由许多细小的量子力学磁体构成。这些磁体遵循量子力学的规定，能够一起指向上、下等两个相反的方向。

在该系统中，相邻磁体的方向一般是相反的，而随机选择的局部磁场会使每个磁体趋于一个方向。此外，研究人员介绍道，“稳定的磁脉冲会周期性作用于磁体，使其翻转，反之亦然。”

也就是说，在特定条件下，所有磁体都会进行多次翻转，每受到 2 次脉冲就会翻转 1 次。而且，研究人员在各种不同的系统都证实了这个设想。

此次墨尔本大学物理学家所带来的时间晶体，含有更多的量子比特，且能够将比特状态配置为“0 和 1”或“1 和 0”，带来类似于磁体间的相互作用。

研究人员称，“对于相互作用的某些特定条件，57 个量子比特的初始设置都保持稳定，且每两次脉冲后它们就会恢复到原来的状态。”

但是，据了解，即使磁体间不存在相互作用，脉冲也能使其发生 180°的周期性翻转。

哈佛大学的凝聚态理论学家多米尼克·埃尔斯（Dominic Else）解释说，该时间晶体能够诞生的原因，是由于磁体的相互作用使量子粒子系统不受脉冲长度等微小缺陷的影响，使其结构变得稳定。

他表示，“这其实是一个物质的阶段，是多体间的相互作用让它稳定下来。”

除磁体间的相互作用强度外，要想让时间晶体稳定下来，还需要一种随机性来防止错误。

雷切尔称，“相互作用必须在一组相邻磁体间发生随机的变化。如果所有磁体间的相互作用强度是相同的，那么一个磁体若出了问题，就可能导致其他磁体都以错误的方式翻转。”

此外，他还指出，理论上这种翻转模式能够一直延续下去，不过，其使用的 IBM 量子计算机让该时间晶体结构保持的周期循环数只在 50 个左右。

时间晶体的实现

时间晶体理论模型的提出是一回事，实现又是另一回事。时间晶体的概念遭受了很多科学家的质疑，认为它是不可能存在的。2016 年，加州大学伯克利分校的诺曼·姚（Norman Yao）设计出了制造时间晶体的详细蓝图。姚将他的蓝图比喻为连接理论模型与实验方法的桥梁。

根据姚的蓝图，来自马里兰大学和哈佛大学的两个团队分别独立制造出了时间晶体。两个团队采用了不同的方法，却得到了类似的结果，这证实了时间晶体确实是一种全新的物态。

需要指出的是，时间晶体分为连续时间晶体和离散时间晶体。目前所实现的时间晶体都属于离散时间晶体。连续时间晶体很难实现，目前尚有争议。

瑞秋的时间晶体并不完美，它目前只能持续 50 个周期。未来，时间晶体可以用于量子计算机中，作为一种存储方式。

未来，该时间晶体或因其稳定相互作用而被用在量子计算机存储方面，将量子比特的状态保留下来。

对于物理学家而言，发现时间晶体就如同发现了新大陆，但这新大陆是沃土还是荒漠，这点尚未可知。

时间晶体的神秘面纱，还需要时间来揭开。

文章来源： DeepTech深科技，学术头条