研究人員最近利用量子計算機創(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)孤立系統的無(wú)序性(即“熵”)必定永遠處于遞增狀態(tài)。而這種神奇的時(shí)間晶體則可以始終維持穩定，盡管一直處于變化之中，但不會(huì )解散為隨機狀態(tài)。

　　據今年 7 月 28 日發(fā)表在預印數據庫 arXiv 上的一篇論文介紹，科學(xué)家利用量子比特(即傳統計算機比特的量子計算機版本)，在谷歌 Sycamore 量子處理器核心中創(chuàng )造出了時(shí)間晶體，存續時(shí)間約為 100 秒。

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

　　在物理學(xué)家看來(lái)，時(shí)間晶體是一種非常神奇的物質(zhì)，因為它們不受熱力學(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(wú)序發(fā)展的傾向可以解釋很多現象，例如為何將配料混合在一起很容易、但將混合物分開(kāi)就很困難，或者口袋里的耳機線(xiàn)為何總是繞成一團。該定律也決定了時(shí)間箭頭的方向：過(guò)去的宇宙永遠比目前的宇宙更加有序。例如，如果將電影倒放，看起來(lái)就很詭異，因為這種熵的流動(dòng)方向是與你的直覺(jué)相違背的。

　　但時(shí)間晶體并不遵循這一定律。它并不會(huì )逐漸達到熱平衡狀態(tài)(即能量或溫度在其周?chē)鶆蚍植?，而是會(huì )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(wú)限來(lái)回切換。

　　為了解釋這種現象有多么異乎尋常，我們來(lái)舉一個(gè)例子：假設有一個(gè)密閉的盒子，里面裝滿(mǎn)了硬幣，然后被搖晃一百萬(wàn)次。隨著(zhù)這些硬幣在盒子里來(lái)回彈跳，它們會(huì )“變得越來(lái)越混亂，把所有可能的排列方式都經(jīng)歷一遍”，直到晃動(dòng)停止。打開(kāi)盒子后，里面的硬幣全部以隨機方式排列，大約一半朝上、一半朝下。無(wú)論盒子里的硬幣最初是如何擺放的，我們都可以預見(jiàn)到，最終它們都會(huì )呈現為這種無(wú)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(shuō)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(wú)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(wú)法轉化為最低能態(tài)(相當于硬幣的隨機排列)，它們只能從開(kāi)始狀態(tài)跳躍到第二種狀態(tài)、然后再跳回來(lái)。

　　時(shí)間晶體最終不會(huì )呈現為隨機形態(tài)，而是會(huì )困在兩種狀態(tài)之間。就好像它記得自己最開(kāi)始的狀態(tài)、然后不斷重復這一規律一樣。從這一角度來(lái)說(shuō)，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(kāi)來(lái)，摩擦力和空氣阻力均為零，它最終仍然會(huì )停止擺動(dòng)，這就是熱力學(xué)第二定律的結果。”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)現這種新物態(tài)存在的可能性的科學(xué)家之一，“能量剛開(kāi)始時(shí)集中于擺錘的質(zhì)量中心，但最終總會(huì )轉化為物質(zhì)的內部自由度，例如擺桿內部原子的振動(dòng)。”

　　熱力學(xué)第二定律稱(chēng)，所有系統都會(huì )朝著(zhù)無(wú)序的方向演變，即能量在空間中均勻分布。

　　事實(shí)上，大尺度物體永遠不可能像時(shí)間晶體一樣，因為唯有微觀(guān)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，在空間中給定區域內的波幅代表了在該位置找到一個(gè)粒子的概率。但隨機性(如晶體結構中的隨機缺陷、或者量子比特之間相互作用強度的隨機性)可能導致粒子的概率波在除了一塊極小區域之外的空間內全部相互抵消。這樣一來(lái)，粒子的位置就被固定住了，既無(wú)法移動(dòng)、也無(wú)法改變狀態(tài)、或與周邊環(huán)境達到熱平衡，即粒子被定域化了。

　　研究人員將粒子的定域過(guò)程作為自己的實(shí)驗基礎。他們使用了 20 條超導鋁、作為量子比特，然后將每一條設置為兩種可能狀態(tài)的其中一種。接下來(lái)，他們用微波束轟炸這些超導鋁條，讓量子比特切換成另一種狀態(tài)。研究人員將這一過(guò)程重復了數萬(wàn)次，并在不同的時(shí)間點(diǎn)暫停實(shí)驗，將量子比特當時(shí)所處的狀態(tài)記錄下來(lái)。結果發(fā)現，所有量子比特作為一個(gè)整體、一直在兩種配置之間來(lái)回切換，并且沒(méi)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(guān)察到了一條關(guān)鍵線(xiàn)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)一般都非常穩定。例如，如果周邊溫度只是稍有改變，固體并不會(huì )就此融化，液體也不會(huì )突然蒸發(fā)或結冰。同理，如果用來(lái)改變量子比特狀態(tài)的微波束稍有變化，離 180°的“完美翻轉”差了一點(diǎn)點(diǎn)，量子比特依然會(huì )切換為另一種狀態(tài)。

　　“并不是說(shuō)，如果沒(méi)有剛好達到 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過(guò)來(lái)。”

　　打破物理的對稱(chēng)性是物態(tài)轉變的另一標志。物理對稱(chēng)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(dòng)都遵循相同的物理法則。但如果給水降溫、使其轉化為冰，分子就會(huì )組成晶體結構，并且每個(gè)分子在結構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(lái)，水的空間對稱(chēng)性也就被打破了。

　　就像水分子通過(guò)打破空間對稱(chēng)性、變?yōu)榭臻g晶體一樣，時(shí)間晶體也通過(guò)打破時(shí)間對稱(chēng)性形成。在它們轉變?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(chēng)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(chēng)性變成了離散的時(shí)間平移對稱(chēng)性)。接下來(lái)，量子比特以微波束周期的兩倍來(lái)回切換，結果成功打破了由激光施加的離散時(shí)間平移對稱(chēng)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(zhù)，圍繞時(shí)間晶體或許能產(chǎn)生許多物理學(xué)新發(fā)現，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(guò)，它依然有改進(jìn)的空間。就像所有量子系統一樣，谷歌的量子計算機也必須與環(huán)境完全隔絕開(kāi)來(lái)，防止量子比特發(fā)生“退相干”，這最終會(huì )瓦解量子定域化效應、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(wú)法將其徹底消除。

　　盡管如此，此次實(shí)驗可能依然是短期內研究時(shí)間晶體的最佳途徑。雖然不少項目已經(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”的準粒子、以及玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體)，但這些晶體的分解速度太快，來(lái)不及開(kāi)展詳細研究。

　　這些晶體在理論上過(guò)于新穎，可謂有好有壞，因為物理學(xué)家目前還不清楚它們有何用武之地。不過(guò)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存、或用于制造處理速度更快的量子計算機。

　　不過(guò)，時(shí)間晶體最大的用處或許已經(jīng)體現出來(lái)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，還能讓你親自設計它，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東西，并不意味著(zhù)它無(wú)法存在——我們只需要自己創(chuàng )造一個(gè)出來(lái)就行了。”
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