量子位，微波束，时间晶体竟成真？

时间晶体的成功，或可在谷歌的悬铃木量子计算机中，助科学家一探量子力学的究竟

谷歌量子计算机内部造出的超凡脱俗的“时间晶体”可能会永远改变物理学

时间晶体的成功，或可在谷歌的悬铃木量子计算机中，助科学家一探量子力学的究竟

这种晶体能在不同状态间永远循环且不损失能量。

时间晶体制造于谷歌的“悬铃木”芯片中，该芯片在其量子低温恒温器中保持冷却。（图片来源：埃里克·卢塞罗/谷歌公司）

与谷歌合作的研究人员刚刚使用这家科技巨头的量子计算机创造了一个全新的物质相位——时间晶体。

由于时间晶体能在两种状态间永远循环而不损失能量，它避开了最重要的物理定律之一——热力学第二定律，即孤立系统的无序度或熵必须始终增加。这些奇怪的时间晶体尽管处在恒定的流动状态中，却保持稳定并抵抗任何随机性的溶解。

根据发布在预印本数据库（arXiv）上的一篇研究文章，科学家们能在谷歌的“悬铃木”量子处理器内核中的量子位（量子计算的传统计算机位版本）中创建大约100秒的时间晶体。

这一奇特的新物质相的存在，以及它所揭示的全新物理行为领域，令物理学家们无比兴奋，尤其是因为时间晶体在九年前才首次被预测存在。

“这是一个巨大的惊喜，”英国伯明翰大学的物理学家柯特·冯·凯瑟林克（Curt von Keyserlingk）虽没有参与这项研究，但他告诉《生活科学》（Live Science），“如果你在30年、20年甚至10年前问某人，他们都不会想到这一点。”

物理学家对时间晶体非常着迷，因为它们基本上避开了热力学第二定律——物理学中最固若金汤的定律之一。它指出熵（系统中无序量的粗略模拟）总是增加。如果你想让一切变得更加有序，你需要投入更多精力。

这种无序增长的趋势解释了很多事情，比如为什么把原料搅拌成混合物比再次把它们分开更容易，或者为什么耳机线在裤子口袋这么容易打结。它还设定了时间之箭，过去的宇宙总是比现在更有秩序；例如，反着观看视频可能会让你觉得奇怪，主要是因为你正在目睹这种熵流的反认知逆转。

热力学第二定律表示所有系统都朝着更无序的状态演化，能量在整个系统中均匀地共享。（图片来源：由通用图像组的通用历史档案馆提供，引自盖蒂图片社）

时间晶体不遵循这个规则。它们不是缓慢地接近热平衡——“热化”使时间晶体的能量或温度均匀地扩散到周围环境中，它们被困在平衡状态以上的两个能量状态之间，在它们之间无限期地来回循环。

为了解释这种行为有多么不寻常，冯·凯瑟林克说，想象一个装满硬币的密封盒子，被摇晃了一百万次。随着硬币的摇晃、碰撞，它们“变得越来越混乱，探索它们可以探索的一切形态”，直到晃动停止，盒子被打开，大约一半的硬币朝上，一半朝下，呈现出硬币的随机形态。我们期望看到这个随机的、一半向上、一半向下的端点，无论盒子中硬币第一次的排列方式如何。

在谷歌“悬铃木”的“盒子”里，我们可以像理解硬币一样去了解量子处理器的量子比特。就像硬币可以是正面或反面，量子位也可以是1或0——两态系统中的两个可能位置——或者两种状态概率的奇怪组合，称为叠加。冯·凯瑟林克说，时间晶体的奇怪之处在于，再多的摇动或从一种状态到另一种状态的跳跃都不能将时间晶体的量子位移动到最低能量态这一随机形态；他们只能将其从起始状态翻转到第二状态，然后再重来一遍。

“这有点儿观点大反转的意思”，冯·凯瑟林克说，“它最终看起来并不是随机的，它只是被卡住了。就好像它记得最初的样子，然后随着时间的推移重复这种模式。”

从这个意义上说，时间晶体就像一个永远不会停止摆动的钟摆。

“即使你在物理上将钟摆与宇宙完全隔离，那么没有了摩擦力和空气阻力，它最终也会停止。其缘由是热力学第二定律的存在。”英国拉夫堡大学物理学家阿基利亚斯·拉扎里季斯（Achilleas Lazarides）2015年首次发现新阶段理论可能性的科学家之一，他告诉《生活科学》（Live Science），“能量一开始集中在钟摆的质心，但所有这些内部自由度——就像原子在杆内振动的方式一样——最终都会被转移到其中。”

事实上，一个大型物体要想表现得像一个时间晶体，就不可能不听起来很荒谬，因为使时间晶体得以存在的唯一准则是一些诡异而超现实的规则，这些规则统治着非常微观的世界——量子力学。

在量子世界中，物体可以同时表现为点粒子和小波，在空间中给定的任何区域中这些波的大小代表在该位置找到粒子的概率。但随机性（例如晶体结构中的随机缺陷或量子比特之间相互作用强度中的程序随机性）可能会导致粒子的概率波在一个非常小的区域之外的任何地方消失。定在原地、无法移动、改变状态或与周围环境一起“热化”，粒子就会被锁在局部范围里。

研究人员以这一锁定过程为实验的基础。科学家们用20条超导铝作为量子位，将每一条设定为两种可能态之一。然后，通过在铝条上发射微波束，便能够促使量子位翻转状态；研究人员重复了数万次实验，并在不同的点停止，以记录他们的量子位所处的状态。他们发现，他们收集的量子位只在两种配置之间来回翻转，而且这些量子位也不会吸收微波束的热量——这意味着，他们制作出了一个时间晶体。

他们还发现了一个关键线索，即他们的时间晶体是物质的一个阶段。对于被视为一个阶段的事物，它通常必须在波动面前非常稳定。如果周围的温度稍有变化，固体就不会融化；轻微的波动也不会导致液体蒸发或突然冻结。同样，如果用于在状态之间翻转量子位的微波束调整到接近但稍微偏离完美翻转所需的180度，量子位仍然会翻转到另一个状态。

“如果你没有完全处于180度，你就不会扰乱它们，”拉扎里季斯说，“神奇地是，即使你犯了一点点小错误，它（时间水晶）也总会倾斜一点点。”

从一个阶段移动到另一个阶段的另一个标志是物理对称性的打破。所谓物理对称性是在时空的任何节点上，物体的物理定律都是相同的。作为一种液体，水中的分子在空间中的每个点和每个方向都遵循相同的物理定律，但将水冷却到足够低，使其转化为冰，其分子将沿着晶体结构（或晶格）选择规则的点来排列。突然间，水分子在空间中有了优先占据的点，而它们离开之处的其他点的位置则空出来——水的空间对称性就被自发地打破了。

就像冰在空间中通过打破空间对称而变成晶体一样，时间晶体在时间中通过打破时间对称而变成晶体。首先，在转变为时间晶体相之前，这一排量子比特将在时间的所有时刻之间经历一个连续的对称性。但微波束的周期性循环将量子位所经历的恒定条件分解为离散包（使微波束施加的对称性变成离散时间平移对称性）。然后，通过以两倍于光束波长的周期来回翻转，量子比特打破了激光施加的离散时间平移对称性。它们是我们所知道的第一批能够做到这一点的物体。

所有这些奇怪之处使时间晶体富含新的物理元素，“悬铃木”为研究人员提供的超越其他实验装置的控制可能使其成为进一步研究的理想平台。然而，这并不是说它无法被完善。与所有量子系统一样，谷歌的量子计算机需要与环境完全隔离，以防止其量子比特经历一个称为退相干的过程，这个过程最终会破坏量子局部化效应，破坏时间晶体。研究人员正在研究如何更好地隔离处理器，减轻退相干的影响，但他们不太可能永远消除这种影响。

尽管如此，在可预见的未来，谷歌的实验可能仍然是研究时间晶体的最佳方式。尽管许多其他项目以其他方式成功地制造出了令人信服的时间晶体——钻石、氦-3超流体、称为磁振子的准粒子以及玻色-爱因斯坦凝聚体——但在这些装置中产生的晶体大多消散得太快，无法进行详细研究。

这种晶体在理论新颖性方面是一把某种程度上的双刃剑，因为物理学家目前正努力为其找到明确的应用，尽管冯·凯瑟林克（von Keyserlingk）曾建议将其用作高精度传感器。其他建议包括使用这些晶体进行更好的存储，或者开发具有更快处理能力的量子计算机。

但从另一个意义上讲，时间晶体的最大应用可能已经在这里：它们允许科学家探索量子力学的边界。

“它不仅可以让你研究自然界中出现的事物，还可以设计自然界。可以看看量子力学让你做什么，不让你做什么。”拉扎里季斯说，“如果你在自然界中找不到某种东西，那并不意味着它不存在——而意味着，我们只是创造了其中的一种。”

BY: Ben Turner

FY: huangminxia

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