8/10/2021，光纖在線訊，那天看到ZDNet上關(guān)于時(shí)間晶體的文章，第一時(shí)間找身邊幾個(gè)學(xué)物理的朋友尋求解讀，可惜他們都說沒有涉獵。這幾天關(guān)于時(shí)間晶體更多的文章陸陸續(xù)續(xù)出來，引得筆者好奇心更盛，再找來ZDNet那篇文章，還Bing了一堆其他文章，也想談?wù)勛约簩?duì)這個(gè)新物理概念的理解。

什么是時(shí)間晶體？
從時(shí)間上來說，它打破了時(shí)間平移對(duì)稱性。從物質(zhì)形態(tài)來說，它是全新的非平衡態(tài)物質(zhì)。所以說，從科學(xué)角度給它下的定義：一種打破了時(shí)間平移對(duì)稱性的非平衡態(tài)物質(zhì)。

時(shí)間晶體的概念首先由2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，美國(guó)MIT的弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek）于2012年提出。他在教授一門關(guān)于一般晶體（空間晶體）的課程時(shí)提出了這一構(gòu)思�！叭绻�我們對(duì)空間上的晶體進(jìn)行思考，那么考慮時(shí)間上的晶體這一分類也是自然而然的事情，”考慮一塊鉆石，它是一團(tuán)碳原子的結(jié)晶相。這團(tuán)碳原子在任何空間位置都受到同一方程的約束，因此其形式呈現(xiàn)出空間周期性的變化，原子位于空間晶格的格點(diǎn)。物理學(xué)家稱之為“空間平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺”。韋爾切克設(shè)想了一個(gè)平衡的多部分系統(tǒng)，類似于鉆石。但這一結(jié)構(gòu)打破的是時(shí)間平移對(duì)稱性：它進(jìn)行周期性的運(yùn)動(dòng)，以規(guī)則的間隔回到初始的配置狀態(tài)。不同于鐘擺消耗能量，并最終在能量耗盡時(shí)停下。韋爾切克的時(shí)間晶體處于超穩(wěn)定的平衡態(tài)，不需要能量輸入，就能無期限地持續(xù)下去。

加州大學(xué)伯克利分校Norman Yao諾曼·姚拿果凍比作時(shí)間晶體�！笗r(shí)間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動(dòng)。但這種運(yùn)動(dòng)的不同之處在于，它不消耗任何能量。時(shí)間晶體就像是在自然的基態(tài)條件下持續(xù)振蕩的果凍，它永遠(yuǎn)不會(huì)停下來，這使得它成為一種擁有全新物態(tài)的非平衡態(tài)物質(zhì)�！�

圖1 《自然》雜志封面的“時(shí)間晶體”示意圖
時(shí)間晶體與“熱力學(xué)第二定律”
經(jīng)典物理學(xué)的熱力學(xué)第二定律強(qiáng)調(diào)孤立系統(tǒng)必然會(huì)自發(fā)走向混亂無用的隨機(jī)狀態(tài)（熵增加），也就是達(dá)到熱平衡狀態(tài)，比如奶倒入咖啡里，冰塊放水里，最后都會(huì)自發(fā)混合。時(shí)間晶體違法這一常識(shí)的是，在不需要任何外在能量的情況下，它可以在兩種高能量狀態(tài)下自發(fā)轉(zhuǎn)換。

時(shí)間晶體與量子計(jì)算
在ZDNet的文章中，作者借Birmingham大學(xué)物理學(xué)教授Curt von Keyserlingk的思想試驗(yàn)來說明為什么谷歌的量子計(jì)算機(jī)可以用于時(shí)間晶體的研究。假設(shè)一個(gè)孤立系統(tǒng)中的一個(gè)紙盒，向里面放入很多硬幣，充分搖晃，最后一定是隨機(jī)的一半上一半下。系統(tǒng)不會(huì)記得最開始的時(shí)候多少枚硬幣向上，又有多少向下。但是當(dāng)進(jìn)入量子系統(tǒng)的時(shí)候，von Keyserlingk教授說，“封閉系統(tǒng)中我們可以想象的唯一時(shí)間晶體就是量子力學(xué)系統(tǒng)�！惫雀璧牧孔佑�(jì)算機(jī)Sycamore因此成為一個(gè)很好的試驗(yàn)對(duì)象。
在這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)中，量子位qubit（光子的偏振態(tài)或者電子的自旋態(tài)）就是上述的硬幣，特定的量子位操作相當(dāng)于上述的搖晃盒子，如果最后的狀態(tài)不再隨機(jī)而是和最初的狀態(tài)一致，那就是進(jìn)入了時(shí)間晶體的狀態(tài)。甚至可以是偶數(shù)次搖晃之后是最初的狀態(tài)，奇數(shù)次則是另外的狀態(tài)。這被成為時(shí)間的對(duì)稱性。
在谷歌的實(shí)驗(yàn)中，擁有20個(gè)量子位的Sycamore量子計(jì)算機(jī)扮演了關(guān)鍵角色，它的計(jì)算能力比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大得多。普通的筆記本電腦只相當(dāng)于10個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，而那篇想增加一個(gè)量子位的計(jì)算能力，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所需要的存儲(chǔ)都要指數(shù)增長(zhǎng)。這就是量子計(jì)算最被看好的應(yīng)用之一。

時(shí)間晶體與激光
自從時(shí)間晶體的概念2012年誕生以來，科學(xué)家們一直試圖去驗(yàn)證這個(gè)概念。2016年，來自美國(guó)馬里蘭大學(xué)、哈佛大學(xué)的兩個(gè)獨(dú)立科學(xué)家團(tuán)隊(duì)各自宣稱，他們用不同的方法竟然制造出了時(shí)間晶體。
圖2
馬里蘭大學(xué)張頡頏博士為首的科研團(tuán)隊(duì)將10個(gè)帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創(chuàng)造一個(gè)磁場(chǎng)，用另一束激光反轉(zhuǎn)原子的自旋方向，一遍一遍地重復(fù)該過程，最終讓原子進(jìn)入在時(shí)間上重復(fù)的反轉(zhuǎn)模式，從而制造出“時(shí)間晶體”。

而哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以金剛石和其中100萬個(gè)隨機(jī)分布的氮—空位為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制備出一種離散型“時(shí)間晶體”。因?qū)嶒?yàn)樣本大，這一方法暗示“時(shí)間晶體”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

時(shí)間晶體能有什么用?
能夠無需外部能量自動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，這似乎就是人們?cè)O(shè)想中的永動(dòng)機(jī)，但是可惜的是時(shí)間晶體無法向外輸出能量，所以依靠它作為動(dòng)力并不可能。其實(shí)現(xiàn)在談時(shí)間晶體的應(yīng)用為時(shí)還早，浪漫的人們預(yù)測(cè)它可以用來永久封存人腦中的意識(shí)，現(xiàn)實(shí)一點(diǎn)的人想用它作為量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。但是所有這些都還很遙遠(yuǎn)。