研究人員最近利用量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出了一種全新物態(tài)——時(shí)間晶體。這些時(shí)間晶體在谷歌的 Sycamore 芯片中創(chuàng)造而成，保存在量子低溫恒溫器中。

　　時(shí)間晶體可以在兩種狀態(tài)之間永遠(yuǎn)循環(huán)下去，而不損失任何能量，因此成功回避了最重要的物理學(xué)定義之一——熱力學(xué)第二定律。該定律指出，一個(gè)孤立系統(tǒng)的無序性(即“熵”)必定永遠(yuǎn)處于遞增狀態(tài)。而這種神奇的時(shí)間晶體則可以始終維持穩(wěn)定，盡管一直處于變化之中，但不會解散為隨機(jī)狀態(tài)。

　　據(jù)今年 7 月 28 日發(fā)表在預(yù)印數(shù)據(jù)庫 arXiv 上的一篇論文介紹，科學(xué)家利用量子比特(即傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特的量子計(jì)算機(jī)版本)，在谷歌 Sycamore 量子處理器核心中創(chuàng)造出了時(shí)間晶體，存續(xù)時(shí)間約為 100 秒。

　　這種奇特的新物態(tài)、以及它所展現(xiàn)的物理行為，令科學(xué)家感到激動不已，更何況僅僅九年前、人們才剛剛預(yù)言了時(shí)間晶體的存在。

　　在物理學(xué)家看來，時(shí)間晶體是一種非常神奇的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈儾皇軣崃W(xué)第二定律的約束，而這可是物理學(xué)最牢不可破的定律之一。該定律指出，熵永遠(yuǎn)處于遞增狀態(tài)。要想提高有序性，就必須增加能量才行。

　　這種始終朝無序發(fā)展的傾向可以解釋很多現(xiàn)象，例如為何將配料混合在一起很容易、但將混合物分開就很困難，或者口袋里的耳機(jī)線為何總是繞成一團(tuán)。該定律也決定了時(shí)間箭頭的方向：過去的宇宙永遠(yuǎn)比目前的宇宙更加有序。例如，如果將電影倒放，看起來就很詭異，因?yàn)檫@種熵的流動方向是與你的直覺相違背的。

　　但時(shí)間晶體并不遵循這一定律。它并不會逐漸達(dá)到熱平衡狀態(tài)(即能量或溫度在其周圍均勻分布)，而是會卡在兩種處于熱平衡之上的能態(tài)之間，并且在這兩種狀態(tài)之間無限來回切換。

　　為了解釋這種現(xiàn)象有多么異乎尋常，我們來舉一個(gè)例子：假設(shè)有一個(gè)密閉的盒子，里面裝滿了硬幣，然后被搖晃一百萬次。隨著這些硬幣在盒子里來回彈跳，它們會“變得越來越混亂，把所有可能的排列方式都經(jīng)歷一遍”，直到晃動停止。打開盒子后，里面的硬幣全部以隨機(jī)方式排列，大約一半朝上、一半朝下。無論盒子里的硬幣最初是如何擺放的，我們都可以預(yù)見到，最終它們都會呈現(xiàn)為這種無序的、一半朝上一半朝下的狀態(tài)。

　　在谷歌 Sycamore 量子處理器這個(gè)“盒子”中，我們可以將量子比特視為剛才所說的硬幣。就像硬幣可能正面朝上或反面朝上一樣，量子比特也可能為 0 或1、或者這兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。時(shí)間晶體的奇異之處在于，無論“搖晃”多少次、或者在兩種狀態(tài)之間切換多少次，時(shí)間晶體的量子比特都無法轉(zhuǎn)化為最低能態(tài)(相當(dāng)于硬幣的隨機(jī)排列)，它們只能從開始狀態(tài)跳躍到第二種狀態(tài)、然后再跳回來。

　　時(shí)間晶體最終不會呈現(xiàn)為隨機(jī)形態(tài)，而是會困在兩種狀態(tài)之間。就好像它記得自己最開始的狀態(tài)、然后不斷重復(fù)這一規(guī)律一樣。從這一角度來說，時(shí)間晶體就如同一個(gè)永不停止搖擺的擺錘。

　　“就算你將一個(gè)擺錘從物理上與整個(gè)宇宙完全隔絕開來，摩擦力和空氣阻力均為零，它最終仍然會停止擺動，這就是熱力學(xué)第二定律的結(jié)果。”英國拉夫堡大學(xué)物理學(xué)家阿西里斯·拉扎萊德斯指出，他是 2015 年最早發(fā)現(xiàn)這種新物態(tài)存在的可能性的科學(xué)家之一，“能量剛開始時(shí)集中于擺錘的質(zhì)量中心，但最終總會轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的內(nèi)部自由度，例如擺桿內(nèi)部原子的振動。”

　　熱力學(xué)第二定律稱，所有系統(tǒng)都會朝著無序的方向演變，即能量在空間中均勻分布。

　　事實(shí)上，大尺度物體永遠(yuǎn)不可能像時(shí)間晶體一樣，因?yàn)槲ㄓ形⒂^世界的主宰定律——量子力學(xué)，才能讓時(shí)間晶體得以存在。

　　在量子世界中，物體同時(shí)具有粒子和波的雙重特性，在空間中給定區(qū)域內(nèi)的波幅代表了在該位置找到一個(gè)粒子的概率。但隨機(jī)性(如晶體結(jié)構(gòu)中的隨機(jī)缺陷、或者量子比特之間相互作用強(qiáng)度的隨機(jī)性)可能導(dǎo)致粒子的概率波在除了一塊極小區(qū)域之外的空間內(nèi)全部相互抵消。這樣一來，粒子的位置就被固定住了，既無法移動、也無法改變狀態(tài)、或與周邊環(huán)境達(dá)到熱平衡，即粒子被定域化了。

　　研究人員將粒子的定域過程作為自己的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。他們使用了 20 條超導(dǎo)鋁、作為量子比特，然后將每一條設(shè)置為兩種可能狀態(tài)的其中一種。接下來，他們用微波束轟炸這些超導(dǎo)鋁條，讓量子比特切換成另一種狀態(tài)。研究人員將這一過程重復(fù)了數(shù)萬次，并在不同的時(shí)間點(diǎn)暫停實(shí)驗(yàn)，將量子比特當(dāng)時(shí)所處的狀態(tài)記錄下來。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有量子比特作為一個(gè)整體、一直在兩種配置之間來回切換，并且沒有從微波束中吸收任何熱量——時(shí)間晶體就這樣誕生了。

　　他們還觀察到了一條關(guān)鍵線索，證明時(shí)間晶體是一種物態(tài)。在周邊環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，物態(tài)一般都非常穩(wěn)定。例如，如果周邊溫度只是稍有改變，固體并不會就此融化，液體也不會突然蒸發(fā)或結(jié)冰。同理，如果用來改變量子比特狀態(tài)的微波束稍有變化，離 180°的“完美翻轉(zhuǎn)”差了一點(diǎn)點(diǎn)，量子比特依然會切換為另一種狀態(tài)。

　　“并不是說，如果沒有剛好達(dá)到 180°，一切就全毀了。”拉扎萊德斯指出，“即使犯點(diǎn)小錯誤，時(shí)間晶體依然能神奇地翻轉(zhuǎn)過來。”

　　打破物理的對稱性是物態(tài)轉(zhuǎn)變的另一標(biāo)志。物理對稱性是指，物理學(xué)定律對于處在任意時(shí)間點(diǎn)或空間點(diǎn)的同一物體都是相同的。例如，當(dāng)水為液態(tài)時(shí)，水分子在每個(gè)空間位置上和每個(gè)方向上的流動都遵循相同的物理法則。但如果給水降溫、使其轉(zhuǎn)化為冰，分子就會組成晶體結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)分子在結(jié)構(gòu)中都有自己特定的位置。在這種情況下，每個(gè)水分子在空間中除了自己選定的位置被占用之外、其它可能的位置全都空了出來，水的空間對稱性也就被打破了。

　　就像水分子通過打破空間對稱性、變?yōu)榭臻g晶體一樣，時(shí)間晶體也通過打破時(shí)間對稱性形成。在它們轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間晶體狀態(tài)之前，每一排量子比特在時(shí)間上始終是對稱的。但微波束的周期將這些量子比特的恒定狀態(tài)切分成了若干離散的片段(使激光施加的對稱性變成了離散的時(shí)間平移對稱性)。接下來，量子比特以微波束周期的兩倍來回切換，結(jié)果成功打破了由激光施加的離散時(shí)間平移對稱性，成為了我們所知的首個(gè)能夠做到這一點(diǎn)的物質(zhì)。

　　這些奇異之處意味著，圍繞時(shí)間晶體或許能產(chǎn)生許多物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)，谷歌 Sycamore 量子處理器也將成為進(jìn)一步探索的理想平臺。不過，它依然有改進(jìn)的空間。就像所有量子系統(tǒng)一樣，谷歌的量子計(jì)算機(jī)也必須與環(huán)境完全隔絕開來，防止量子比特發(fā)生“退相干”，這最終會瓦解量子定域化效應(yīng)、摧毀時(shí)間晶體。研究人員還在尋找更好的處理器隔絕方法，盡量緩解量子退相干的影響，但終究無法將其徹底消除。

　　盡管如此，此次實(shí)驗(yàn)可能依然是短期內(nèi)研究時(shí)間晶體的最佳途徑。雖然不少項(xiàng)目已經(jīng)成功造出了看似時(shí)間晶體的物質(zhì)(利用鉆石、氦-3 超流體、一種名叫“磁子”的準(zhǔn)粒子、以及玻色-愛因斯坦凝聚體)，但這些晶體的分解速度太快，來不及開展詳細(xì)研究。

　　這些晶體在理論上過于新穎，可謂有好有壞，因?yàn)槲锢韺W(xué)家目前還不清楚它們有何用武之地。不過馮·凱瑟林克提出，它們可以被用在高精度傳感器中。還有人提出，這些晶體可用于提高內(nèi)存、或用于制造處理速度更快的量子計(jì)算機(jī)。

　　不過，時(shí)間晶體最大的用處或許已經(jīng)體現(xiàn)出來了：讓科學(xué)家得以進(jìn)一步探索量子力學(xué)的邊界。

　　“它讓你不僅能夠研究自然界中存在的物體，還能讓你親自設(shè)計(jì)它，考察量子力學(xué)讓你做什么、不讓你做什么，”拉扎萊德斯指出，“如果你在自然界中找不到某樣?xùn)|西，并不意味著它無法存在——我們只需要自己創(chuàng)造一個(gè)出來就行了。”
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