不得不承認(rèn)，時(shí)間晶體這個(gè)名字或許會(huì)讓人想到一些神奇的東西，比如魔法水晶球或者某種時(shí)間旅行裝置。但時(shí)間晶體是真實(shí)存在的，盡管它們?cè)谀承┓矫娲_實(shí)有點(diǎn)兒像魔術(shù)。

時(shí)間晶體的概念最早由諾貝爾獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克提出，它們實(shí)際上是一種獨(dú)一無(wú)二的粒子排列，可以在時(shí)間和空間上都處于永久而往復(fù)的運(yùn)動(dòng)中。

在近日的一項(xiàng)研究中，兩位澳大利亞科學(xué)家在一臺(tái)最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)上觀察到了57個(gè)超導(dǎo)量子比特上的離散時(shí)間晶體（DTC）。這是繼去年谷歌團(tuán)隊(duì)之后第二項(xiàng)在量子計(jì)算機(jī)上成功創(chuàng)建時(shí)間晶體的研究。論文已于近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

  時(shí)間晶體  

時(shí)間晶體之所以如此被看重，是因?yàn)樗鼈兪俏镔|(zhì)的一種新的相，它們并不處于平衡或穩(wěn)態(tài)，而是在各種狀態(tài)之間切換。

像巖鹽和鉆石這樣的固體晶體，是由它們的原子在空間上的排列和重復(fù)方式來(lái)定義的。與這些日常的“空間晶體”相比，時(shí)間晶體則是一個(gè)在時(shí)間和空間上重復(fù)的粒子系統(tǒng)。

此外，它們的狀態(tài)幾乎非常接近挑戰(zhàn)物理學(xué)定律的邊緣，因?yàn)樗鼈儚哪撤N程度上來(lái)說(shuō)是“永動(dòng)”的。一個(gè)時(shí)間晶體會(huì)自發(fā)地、永久地在兩種不同配置之間來(lái)回切換。而之所以說(shuō)它“幾乎”違反了物理學(xué)定律，是因?yàn)殡m然通常認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的能量總會(huì)在熵（系統(tǒng)中無(wú)序的衡量標(biāo)準(zhǔn)）增加的過(guò)程中耗散，但是由于我們無(wú)法從時(shí)間晶體的永動(dòng)中提取能量，所以實(shí)際上并不存在能量耗散。

為了更好地理解這里的奇怪之處，我們可以類比一個(gè)日常的場(chǎng)景。在烘焙時(shí)，我們會(huì)在一個(gè)碗里放上面粉和糖，當(dāng)把它們攪拌在一起時(shí)，熵不斷增加，物質(zhì)變得更加無(wú)序，這樣就不再是面粉和糖了，而是兩者的混合物。

現(xiàn)在，讓我們想象一下熵不會(huì)增加的場(chǎng)景，無(wú)論你把兩者混在一起多長(zhǎng)時(shí)間，所有面粉始終在碗的一邊，而糖還是在另一邊。時(shí)間晶體就像是這樣一個(gè)面粉和糖永不混合的不可能系統(tǒng)，也就是說(shuō)，熵隨著時(shí)間的流逝保持靜止。這就是為什么全世界的物理學(xué)家都對(duì)時(shí)間晶體感到興奮。

但是，構(gòu)建一個(gè)時(shí)間晶體并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，需要滿足許多要求。為了避免熱化，也就是面粉和糖隨著熵增而混合，時(shí)間晶體的各個(gè)組分必須與環(huán)境隔絕，否則熱振動(dòng)總會(huì)破壞時(shí)間晶體系統(tǒng)。

這聽(tīng)起來(lái)非常困難，但實(shí)際上，已經(jīng)有一類本來(lái)就需將其組件盡可能隔絕的機(jī)器存在，那就是量子計(jì)算機(jī)。

  量子計(jì)算機(jī)  

和時(shí)間晶體類似的是，量子計(jì)算機(jī)使用了獨(dú)特的粒子系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)可用于處理數(shù)據(jù)的量子態(tài)。一種用于隔離脆弱的量子態(tài)的常見(jiàn)技術(shù)，是將其保持在極低的溫度下。

去年，來(lái)自谷歌和一些機(jī)構(gòu)的研究人員成了第一個(gè)利用量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)建時(shí)間晶體的團(tuán)隊(duì)，并于2021年11月在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究。現(xiàn)在，在新的研究中，來(lái)自墨爾本大學(xué)的物理學(xué)家Philipp Frey和Stephan Rachel同樣在量子計(jì)算機(jī)中觀察到了他們的時(shí)間晶體。

兩位科學(xué)家通過(guò)墨爾本大學(xué)的IBM量子中心獲得了在線訪問(wèn)權(quán)，從而有權(quán)限訪問(wèn)IBM量子計(jì)算機(jī)的最佳性能的部分（分區(qū)）。

將量子計(jì)算機(jī)變成一個(gè)時(shí)間晶體在其他方面也滿足要求。例如，系統(tǒng)的初始狀態(tài)可以被準(zhǔn)備好。量子比特“0”和“1”的狀態(tài)就可以被看作“面粉和糖”。0和1的不同配置是普通計(jì)算機(jī)比特處理信息的基礎(chǔ)，但在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特可以是獨(dú)特的0和1的疊加態(tài)，從而加強(qiáng)了信息處理和計(jì)算的能力。

雖然IBM量子計(jì)算機(jī)上的量子模擬仍然有些噪聲，帶有缺陷或干擾，這也印證了目前所有量子計(jì)算機(jī)還只是原型機(jī)，但研究仍然觀察到了一個(gè)時(shí)間晶體，其中量子比特的配置不斷重復(fù)。

在65個(gè)量子比特的芯片中（黑色的）57個(gè)量子比特被用來(lái)模擬DTC。| 圖片來(lái)源：Science Advance

  迷人的應(yīng)用前景  

這種奇特的量子系統(tǒng)本身就極具吸引力，同時(shí)，時(shí)間晶體也有一個(gè)明顯的應(yīng)用。由于配置不斷重復(fù)，這個(gè)系統(tǒng)將永遠(yuǎn)不會(huì)丟失記憶。也就是說(shuō)，它永遠(yuǎn)不會(huì)忘記這種初始狀態(tài)。這就意味著，時(shí)間晶體有潛力構(gòu)成一個(gè)完美的量子記憶裝置。

同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)雖然已經(jīng)被預(yù)言到了諸多應(yīng)用前景，但這項(xiàng)研究更加映照出了物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在30年前預(yù)想的——利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)物理學(xué)的研究。

但作為物質(zhì)的一個(gè)新的相，還有很多關(guān)于時(shí)間晶體的知識(shí)有待了解，我們認(rèn)識(shí)到的越多，它們的應(yīng)用就越有吸引力。量子計(jì)算機(jī)作為創(chuàng)造和研究時(shí)間晶體的手段，一定會(huì)加速科學(xué)家在這場(chǎng)新的量子競(jìng)賽中的認(rèn)識(shí)。