?今天，時間晶體再次迎來新秀，登上了Sceince子刊。

時間晶體就像「永動機」一樣，在各種狀態之間能夠永久往復地不斷消耗能量。

科學家稱，「我們已經用IBM量子計算機造出迄今為止最大的時間晶體，還是谷歌的2倍多。」

就連2016證明時間晶體存在的凝聚態物理學家Chetan Nayak表示，「這肯定是一個重大突破」。

突破在哪？

2位來自墨爾本大學的物理學家Philipp Frey和Stephan Rachel提供了一個更大的量子位演示。

目前，最新研究Realization of a discrete time crystal on 57 qubits of a quantum computer在3月2日發表在Science Advaces。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

這種新型的時間晶體由57個量子粒子構成，是谷歌科學家去年模擬的20個量子粒子的時間晶體的2倍多。

?由于新型的時間晶體很大，傳統的電腦沒有辦法進行模擬。

研究者Frey和Rachel單獨進行了這次大規模的實驗，Rachel表示，「只有我，還有我的研究生Frey，另加一臺筆記本電腦。實驗大概持續了6個月。」

這次研究，科學家便使用了IBM最先進的量子計算機ibmq_manhattan和ibmq_brooklyn遠程模擬，并對57量子比特上的離散時間晶體（DTC）進行了觀察。

57個量子比特用于離散時間晶體（DTC）的模擬

量子比特可以同時設置為0和1或者1和0，通過編程使它們像磁鐵一樣相互作用。

研究人員表示，「對于它們相互作用的某些設置，研究人員發現，任何57個量子位的初始設置，比如011011011110... ，都保持穩定，每兩次脈沖都能恢復到原來的狀態。」

量子比特可以取0和1之間各種復雜值

這么一看，這個結果好像有些平平無奇。畢竟，哪怕磁鐵之間沒有相互作用，脈沖也會讓它們翻轉180°，產生一樣的半頻響應。

哈佛大學的一位凝聚態物理學家Dominic Else解釋道，「是什么讓這個系統成為時間晶體的呢？是磁鐵之間相互作用的方式，這種方式讓這種結構趨于穩定。」

這就使得這個系統不會受一些瑕疵影響，比方說，哪怕脈沖的長度不夠，磁鐵也能進行翻轉。Else說，「這其實是一個物質的階段。多體間的相互作用讓它穩定下來。」

奇怪的是，單單提高磁鐵間的相互作用力的強度是不夠的。相鄰的兩個磁鐵間的相互作用必須得隨機的不同。如果所有的磁鐵間的相互作用都一樣強，那么有一個磁鐵出錯了，就會導致其它的磁鐵出現翻轉錯誤。

正是這種隨機性，才不會讓出現的錯誤傳導，才能讓時間晶體穩定下來。

Rachel表示，「實驗并不是完美的。這種翻轉的結構按理來說應該能無限的持續下去。但IBM的量子計算機的量子比特大概只能讓這個結構保持穩定50個循環。」

最后，穩定的相互作用效果可能被應用在把一串量子比特的狀態保留下來，作為量子計算機的一種存儲方式。但是，最終實現這一點肯定會花費大量時間。

時間晶體從何來？

時間晶體這一新奇的概念的最早可以追溯到2012年，由諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek最先提出。

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。

Wilczek教授表示，「時間晶體經歷周期性運動，每隔一段時間就會回到最初的形態。」

也就是說，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。

其實，時間晶體是一種打破熱力學認知的物體，很多科學家都認為這種物質并不存在。

然而，在2016年，加利福尼亞大學圣巴巴拉分校和微軟的研究人員根據pi spin-glass phase提出了Floquet「時間晶體」的存在。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1603.08001.pdf

這一次，他們考慮了從外部不斷刺激該系統的方法。在合適的條件下，他們發現，這個系統可以鎖進一個隨時間變化而變化的結構中，以低于外部刺激的頻率不斷重復。而這種更低頻率的反饋就是時間晶體的特征。

該系統由一串微小的量子物理磁鐵構成，磁鐵可以指上或者指下，甚至根據量子物理學的奇怪規則，還能兩邊同時指。

在這串磁鐵當中，相鄰的磁鐵通常會以相反的方向排列，從而降低能量。而隨機選擇的一個局部磁場會讓每一個磁鐵能指向一個方向或另一個方向。

穩定的磁脈沖流也會周期性地讓磁鐵翻轉（下轉上或上轉下）。具體的思路是，在合適的條件下，磁鐵的任何指向都會不斷地翻轉，每有兩次脈沖就會翻轉一次。

實驗人員還在各種不同的系統都證實了這種思路。從鉆石中的電子，到容器中的離子，再到量子計算機中的量子比特，無論是什么系統都可以。

去年，100多位研究人員參與了谷歌的時間晶體模擬，并稱用谷歌量子計算機觀察到了時間晶體。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2107.13571.pdf

有了時間晶體，我們就有了永動機？

時間晶體是一種量子粒子系統，被鎖在一段永恒的時間循環中。這有點像原子在一個真實的晶體中不斷重復的空間形態。

新型時間晶體證明了量子計算機模擬復雜系統的能力。沒有量子計算機幫助，新型時間晶體可能只會存在于物理學家的理論中。

量子計算機為物理學家提供了一個平臺，來設計和研究在自然界中找不到的物質新狀態。

當前，量子計算機的發展仍處于初級階段。但隨著改進，它們將允許物理學家提高對自然的基本理解。

反之，又能轉化為技術創新，就像上個世紀的物理學促成塑造我們今天生活的數字革命一樣。

而時間晶體僅僅標志著這一令人興奮的努力的開始。?