8/10/2021，光纖在線訊，那天看到ZDNet上關(guān)于時間晶體的文章，第一時間找身邊幾個學(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�這個新物理概念的理解。

什么是時間晶體？
從時間上來說，它打破了時間平移對稱性。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：一種打破了時間平移對稱性的非平衡態(tài)物質(zhì)。

時間晶體的概念首先由2004年諾貝爾物理學(xué)獎得主，美國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）的課程時提出了這一構(gòu)思。“如果我們對空間上的晶體進行思考，那么考慮時間上的晶體這一分類也是自然而然的事情，”考慮一塊鉆石，它是一團碳原子的結(jié)晶相。這團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。物理學(xué)家稱之為“空間平移對稱性的自發(fā)破缺”。韋爾切克設(shè)想了一個平衡的多部分系統(tǒng)，類似于鉆石。但這一結(jié)構(gòu)打破的是時間平移對稱性：它進行周期性的運動，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停下。韋爾切克的時間晶體處于超穩(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·姚拿果凍比作時間晶體�！笗r間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動。但這種運動的不同之處在于，它不消耗任何能量。時間晶體就像是在自然的基態(tài)條件下持續(xù)振蕩的果凍，它永遠不會停下來，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“時間晶體”示意圖
時間晶體與“熱力學(xué)第二定律”
經(jīng)典物理學(xué)的熱力學(xué)第二定律強調(diào)孤立系統(tǒng)必然會自發(fā)走向混亂無用的隨機狀態(tài)（熵增加），也就是達到熱平衡狀態(tài)，比如奶倒入咖啡里，冰塊放水里，最后都會自發(fā)混合。時間晶體違法這一常識的是，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。

時間晶體與量子計算
在ZDNet的文章中，作者借Birmingham大學(xué)物理學(xué)教授Curt von Keyserlingk的思想試驗來說明為什么谷歌的量子計算機可以用于時間晶體的研究。假設(shè)一個孤立系統(tǒng)中的一個紙盒，向里面放入很多硬幣，充分搖晃，最后一定是隨機的一半上一半下。系統(tǒng)不會記得最開始的時候多少枚硬幣向上，又有多少向下。但是當(dāng)進入量子系統(tǒng)的時候，von Keyserlingk教授說，“封閉系統(tǒng)中我們可以想象的唯一時間晶體就是量子力學(xué)系統(tǒng)。”谷歌的量子計算機Sycamore因此成為一個很好的試驗對象。
在這臺量子計算機中，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)不再隨機而是和最初的狀態(tài)一致，那就是進入了時間晶體的狀態(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)。這被成為時間的對稱性。
在谷歌的實驗中，擁有20個量子位的Sycamore量子計算機扮演了關(guān)鍵角色，它的計算能力比傳統(tǒng)計算機大得多。普通的筆記本電腦只相當(dāng)于10個量子位的量子計算機，而那篇想增加一個量子位的計算能力，傳統(tǒng)計算機所需要的存儲都要指數(shù)增長。這就是量子計算最被看好的應(yīng)用之一。

時間晶體與激光
自從時間晶體的概念2012年誕生以來，科學(xué)家們一直試圖去驗證這個概念。2016年，來自美國馬里蘭大學(xué)、哈佛大學(xué)的兩個獨立科學(xué)家團隊各自宣稱，他們用不同的方法竟然制造出了時間晶體。
圖2
馬里蘭大學(xué)張頡頏博士為首的科研團隊將10個帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創(chuàng)造一個磁場，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，最終讓原子進入在時間上重復(fù)的反轉(zhuǎn)模式，從而制造出“時間晶體”。

而哈佛大學(xué)的科研團隊以金剛石和其中100萬個隨機分布的氮—空位為實驗平臺，制備出一種離散型“時間晶體”。因?qū)嶒灅颖敬�，這一方法暗示“時間晶體”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

時間晶體能有什么用?
能夠無需外部能量自動轉(zhuǎn)換狀態(tài)，這似乎就是人們設(shè)想中的永動機，但是可惜的是時間晶體無法向外輸出能量，所以依靠它作為動力并不可能。其實現(xiàn)在談時間晶體的應(yīng)用為時還早，浪漫的人們預(yù)測它可以用來永久封存人腦中的意識，現(xiàn)實一點的人想用它作為量子計算機的內(nèi)存。但是所有這些都還很遙遠。