沒有能量的供給，沒有能量的消耗，它的循環運動會永遠持續下去。

時間晶體就像是一個「永動機」在不同狀態之間永久循環往復而不消耗任何能量。來自斯坦福大學、谷歌、馬克思 · 普朗克復雜系統物理研究所和牛津大學的研究團隊聲稱已經在量子計算機中構建了這種全新的物相。這可能是近幾十年來最為重大的一次物理發現。

11 月 30 日，頂尖學術期刊《自然》雜志提前發表時間晶體重要研究《Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》，展示了谷歌 Quantum AI 團隊通過量子計算機獲得的發現：

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w

多年來，科學家們對時間晶體存在的可能性進行了理論分析，并一直試圖觀察到時間晶體。通過谷歌的量子處理器 Sycamore，我們現在終于知道這是可能的。

「我們使用未來量子計算機的原形，將之視為復雜量子系統，」斯坦福大學博士后，論文共同作者 Matteo Ippoliti 說道。 「我們不是在計算，而是將計算機作為一個新的實驗平臺來實現和檢測物質的新階段。」

對于研究團隊來說，新研究的成功不僅僅是意味著創造新的物相，還在于開辟了探索凝聚態物理領域新機制的機會，在這一層面上，粒子的相互作用可能帶來新現象和特性。大量粒子的交互可能比單個對象的屬性豐富得多。

「時間晶體是物質的新型非平衡量子相的一個突出例子，」斯坦福大學物理助理教授，論文作者之一 Vedika Khemani 表示。「我們對凝聚態物理的大部分理解都基于平衡系統，而這些新的量子設備為我們提供了一個全新窗口，可以讓我們了解物理學中的全新非平衡狀態。」

有了時間晶體，我們就擁有了永動機？

凝聚態物理學對于大多數人來說可能有點過于高深，在做出判斷之前我們要先理解時間晶體到底是什么。

這一概念是由諾貝爾物理學獎得主，MIT 教授 Frank Wilczek 于 2012 年在一堂普通的（空間）晶體課上提出的。

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2004 年諾貝爾物理學獎得主、麻省理工學院教授 Frank Wilczek。

平衡狀態的液體或氣體是由均勻分布的粒子構成的，呈現出完美的空間對稱性——它們看起來每個地方，每個方向上都一樣。在能量極低位置時，大多數物質不能保持對稱性，而會結晶。晶體的規則幾何形狀缺少完整的空間對稱性：結構不會處處相同。因為晶體在能量非常低的時候對稱性減少了。此時，物理學家會說，這些晶體出現自發對稱性破壞。

時間晶體能自發打破被 Wilczek 稱為「對稱性之母」的時間平移對稱性，它可以隨著時間改變，但是會持續回到開始時的相同形態，如同鐘表的指針周期性地回到原始位置。

與鐘表或者其他周期性的過程不同的是，時間水晶和空間水晶一樣是最低限度能量的一種狀態。這似乎是一個矛盾——時間水晶根據定義為破壞時間平移對稱性，必須隨著時間改變。但是擁有最低能量的體系通常不能運動。如果它可以動，那么就有額外能量輸出，直到這個體系達到真正的最低能量即靜止狀態。

研究人員制作這種物質的方式就像培養果蠅，并給與其正確的刺激。

物理學中的果蠅是 Ising 模型，這是一種用于理解各種物理現象（包括相變和磁性）的長期工具，它由一個晶格組成，其中每個位置都被一個粒子占據，該粒子可以處于兩種狀態，表示為自旋向上或下降。

在博士研究生期間，Khemani 和她當時還在普林斯頓大學的博士生導師 Shivaji Sondhi，以及馬克斯 · 普朗克復雜系統物理研究所的 Achilleas Lazarides 和 Roderich Moessner 無意中發現了這種制造時間晶體的方法。當時他們正在研究非平衡多體局域系統——粒子在它們開始的狀態下會「卡住」并且永遠不能轉換至平衡狀態的系統。

他們試圖探索物相在被激光定期擊中時可能會發展的情況。出乎預料的是，他們不僅設法找到了穩定的非平衡相，而且還發現粒子的自旋在永遠重復的模式之間翻轉，其周期是激光驅動周期的兩倍，從而形成了時間晶體。

激光的周期性沖擊為晶體的動態建立了特定節奏。通常，旋轉的「舞蹈」應該與這種節奏同步，但在時間晶體中則不然。與之相反的是，自旋在兩種狀態之間翻轉，只有在被激光擊中兩次后才能完成一個循環。這意味著系統的「時間平移對稱性」被打破。

對稱性在物理學中扮演著重要的角色，它經常被打破——這是解釋規則晶體、磁鐵和許多其他現象的基礎。然而時間平移對稱性與其他對稱性不同，它不能在平衡狀態下被打破。周期性的沖擊是一個漏洞，讓時間晶體成為可能。

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振蕩周期的倍增是不尋常的，但也并非前所未有。長期的振蕩在量子動力學的少粒子系統中也很常見。時間晶體的獨特之處在于，它是一個由數以百萬計的粒子組成的系統，卻在沒有任何能量進入或泄漏的情況下，具有同樣的表現。

「這是物質的一個完全穩定的階段，你不能微調參數或狀態，但你的系統仍然是量子的,」Sondhi 說，他是牛津大學的物理學教授，也是這篇論文的合著者。「沒有能量的供給，沒有能量的消耗，它會永遠持續下去，包括許多強烈相互作用的粒子。」

雖然這聽起來可能有點像「永動機」，但仔細觀察就會發現，時間晶體并沒有打破任何物理定律。熵——系統無序程度的一種度量——會隨著時間的推移保持穩定，它不會減少并邊際上滿足熱力學第二定律。

在時間晶體計劃的開發和量子計算機實驗的實現之間，許多不同團隊的研究人員實現了各種近似于時間晶體的里程碑的成果。然而，提供「多體定位」(使時間晶體具有無限穩定性的現象) 配方中的所有成分仍然是一個突出的挑戰。

對于 Khemani 和合作者來說，在時間水晶研究上取得成功的最后一步是與谷歌量子人工智能團隊合作。這個小組共同使用谷歌的 Sycamore 量子計算硬件，利用經典計算機的量子比特編程 20 個「自旋」。

11 月，《Science》刊登了另一篇關于時間晶體的文章，揭示了目前人們對時間晶體的強烈興趣。這種晶體是荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員利用鉆石內部的量子比特制造出來的。

量子的機遇

由于量子計算機的特殊功能，研究人員得以證實所聲稱的真正的時間晶體。雖然當前量子裝置的有限尺寸和相干時間意味著他們的實驗在尺寸和持續時間上是有限的（時間晶體振蕩只能觀察幾百個周期而不是無限期），研究人員設計了各種方案來評估產出的穩定性，其中包括向前和向后的運行模擬并縮放大小。

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裝有谷歌 Sycamore 芯片的冷卻系統內部。

「我們設法利用量子計算機的多功能性來幫助我們分析它自身的局限性,」論文的合著者之一、馬普所復雜系統物理研究所主任 Moessner 說。「它實質上告訴了我們如何糾正自身的錯誤，以便從有限時間的觀測中確定理想時間結晶表現的機制。」

理想的時間晶體的一個關鍵特征是，它在所有狀態下都會表現出無限的振蕩。驗證這種對于狀態選擇的穩健性是實驗的關鍵挑戰，研究人員設計了一個協議，在機器的一次運行中探測超過 100 萬個狀態的時間晶體，只需要幾毫秒的運行時間。這就像從多個角度觀察一個物理晶體以驗證它的重復結構。

「我們量子處理器的一個獨特之處在于它能夠創造出高度復雜的量子態,」谷歌研究員、論文的第一作者之一 Xiao Mi 說。「這些狀態能讓物質的相位結構被有效地驗證，而無需調查整個計算空間，這原本是一個難以處理的任務。」

在基礎水平上創造物質的新階段無疑是令人興奮的。此外，事實表明量子計算機在計算之外的應用方面越來越可用。「有了更多的量子比特，我們的方法可以成為研究非平衡態動力學的主要方法,」谷歌研究員、論文作者之一 Pedram Roushan 說。

「我們認為目前量子計算機最令人興奮的用途是作為基礎量子物理學的平臺,」Ipppoliti 說。「憑借這些系統的獨特性能，有希望發現一些你沒有預料到的新現象。」

研究者介紹

Xiao Mi、Matteo Ippoliti 二人均對這項研究做出了重要貢獻。Xiao Mi 在康奈爾大學獲得學士學位，在普林斯頓大學獲得博士學位。他在《Nature》、《Science》主刊和子刊以及其他頂尖期刊上發表過多篇量子相關的研究。

2018 年 7 月，Xiao Mi 加入谷歌任研究科學家，主要探索基于超導量子比特的中型量子處理器的應用。

Matteo Ippoliti 現為斯坦福大學物理系和 Geballe 先進材料實驗室的博士后學者。他在意大利比薩大學獲得學士和碩士學位，后在普林斯頓大學獲得物理學博士學位。從 2015 年開始，Matteo Ippoliti 一直從事量子物理學的研究。

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