时间晶体到底是啥？为何物理学家对它如此痴迷？

你可能很熟悉地球上日常生活中物质的基本状态——固体、液体和气体。

但这三种不同类型的物质，每种看起来和行为都不同，它们并不是整个宇宙离它很远。科学家已经发现（或创造）了数十种更奇特的物质状态，通常有着神秘而奇特的名字：超流体、玻色-爱因斯坦凝聚体和中子简并物质等等。

在过去的几年里，世界各地的物理学家一直在构建另一种物质状态：“时间晶体”。如果这看起来像是B级电影中的技术唠叨，那么它就不再是技术唠叨了。利用量子计算机，一些研究人员创造了一种时间晶体，他们认为，它在物理世界中牢固地建立了时间晶体。

研究人员尚未正式公布他们的研究成果，但上个月，他们在ArXiV网站上发布了一份预印本（一篇尚未经过同行编辑的科学论文）。

那么时间晶体到底是什么呢？它可能听起来像是让时间机器运转的关键部件，某种未来的电源，或者可能是一个失落的外星文明的产物。但是，对于科学家来说，时间晶体实际上是更微妙的东西：对物理定律的好奇心。

定义任何bog标准晶体（如钻石、祖母绿，甚至是立方体）的是，晶体的原子在空间中以某种方式排列成重复的图案。空间有三个维度，时间是第四个维度。因此，物理学家们想知道，晶体的原子是否可以在时间上以重复的模式排列。

实际上，这是这样的。你创造了一个原子以一种状态开始的晶体。如果你用微调的激光轰击晶体，这些原子可能会翻转到另一种状态，然后翻转回来，然后再次翻转等等，所有这些实际上都不会吸收激光的任何能量。

如果你退一步，你刚刚创造的是一种物质状态，它永远在运动，无限期，没有吸收任何能量。

这不是一个小壮举。它违背了经典物理学最神圣的原则之一：热力学第二定律。该定律表明，熵或无序的量总是倾向于增加。把它想象成花瓶，在桌子边摇摇欲坠。宇宙想要推倒花瓶，让它在地板上碎裂。要把它拼合起来，你必须投入能量。

时间晶体实际上是一个相当新的概念，由诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克（Franck Wilczek）于2012年首次提出。当时并非所有物理学家都接受这一理论，一些人声称热力学第二定律将支持其法律主义。

当然，坚定的研究人员发现了漏洞。2016年，马里兰大学（University of Maryland）的物理学家成功地从镱原子的集合中合成了一个粗糙的时间晶体。其他团体已经在钻石内部创造了时间晶体。

但最近这些水晶修补匠做了一些不同的事情。他们转向谷歌，使用了量子计算机：一种利用量子力学怪癖的设备，量子力学是一种看似神秘的物理，以最小的尺度引导宇宙。量子计算机不像日常使用的“经典”计算机那样使用硅块，而是直接使用原子或粒子。这使得物理学家能够进行传统计算机难以进行的实验，因为量子物理学让粒子在一个位置上成为多个物体，让粒子在看似不可能的距离上相互作用，这变得相当深奥。

芝加哥郊区专注于高端粒子物理的国家实验室费米实验室（Fermilab）的量子计算机研究员加布里埃尔·珀杜（GabrielPerdue）表示，传统计算机的“模拟规则的能力……变得更加困难”。

但是，通过在量子计算机处理器中排列粒子，可以真正地研究微小粒子系统，就好像它们是构建块一样。这是一种强大的能力，在非量子世界中你不会看到太多。

“我们不会通过建造微型棒球运动员和进行模拟来计算棒球能跑多远，”珀杜说。但他说，研究人员使用谷歌的量子计算机来制作他们的时间晶体，就是在非常小的规模上做一些非常类似的事情。

在这种情况下，物理学家可以提取原子，重新排列它们，然后用激光脉冲它们来驱动时间晶体。该装置使研究人员能够制造出比之前任何时间晶体都大的时间晶体。虽然以前的许多时间晶体持续时间很短，并且在几个来回翻转周期内被解开，但这项最新的时间晶体研究背后的科学家们对他们所创造的东西的稳定性感到惊讶。

“对我来说，最激动人心的是，”珀杜说，“这是一个使用量子计算机来真正模拟量子物理系统的演示，并以一种非常新颖和激动人心的方式对其进行研究。”

那么，这些时间晶体真的会带来新一波的时间机器吗？

可能不会。但它们可能有助于使量子计算机变得更强大。工程师们多年来一直在努力创造一些可以作为量子计算机内存的东西；有些相当于支撑传统计算机的硅。物理学家认为，时间晶体可以达到这一目的。

珀杜说，这个实验也证明了量子计算机在科学研究中的力量。“同一个平台可以让你很容易地模拟一些很酷的算法，”他说，“同样的平台也能很好地工作，我认为更好的是，可以模拟这些类型的系统。”