曾幾何時，人們認為在實體學上不可能存在“時間晶體”這種奇異物質形态，但是現在人們已經創造出了這種晶體。
用光撥弄原子是Christopher Monroe的終身事業。他把原子排列成環、鍊，然後用雷射處理，以探索原子的特性，制造基本的量子計算機。去年，他決定嘗試一項看似不可能的任務：創造時間晶體。
時間晶體聽起來很像科幻電視劇《神秘博士》中的道具，但它植根于現實的實體學。它是一種假設的結構，不需要任何能量就能保持振動，就像永遠不需要上發條的時鐘一樣。
普通晶體中的原子在空間上重複，時間晶體則在時間上呈周期性重複。這一概念極具挑戰性，是以，當諾貝爾實體學獎得主Frank Wilczek在2012年提出這個大膽的概念時，其他研究者很快證明了時間晶體是不可能被制造出來的。
但證明存在漏洞；另一個實體學分支中的研究者找到了利用這些漏洞的方法。Monroe是馬裡蘭大學的一位實體學家，他的團隊利用他們原本為其它目的建構出的原子鍊，創造了一種時間晶體（見圖“如何制造時間晶體”）。“可以說，我們是誤打誤撞發現它的，”Monroe說。
Nik Spencer/Nature
另一組來自哈佛大學的研究者利用“髒”鑽石（譯注：指含大量氮原子雜質的鑽石）也獨立制造出了時間晶體。這兩種版本都被視為時間晶體，發表在了
3月份的《自然》雜志上，但與Wilczek原先構想的不同。兩篇論文的作者，加州大學伯克利分校的實體學家Norman Yao表示：“（創造出的時間晶體）雖然不像人們一開始設想得那樣奇異，但還是十分怪異。
它們也是一類令人驚歎的物質形态的首批樣本：時刻處在變化中、永遠不會達到穩态的量子粒子集合。這些系統從随機的互相作用中獲得穩定性，而其他類型的物質則會被随機的互相作用所擾亂。
“這是一種新的序，過去被認為是不可能的。這一結果非常令人振奮，”哈佛大學團隊的成員Vedika Khemani說。她也曾是最初推論出這種新型物質形态存在的團隊的成員。實驗實體學家已經在計劃如何在量子計算機和超敏磁傳感器等裝置中利用這種奇異系統的性質了。
打破時間對稱性
在Wilczek的設想中，時間晶體是一種打破規則的方式。實體學定律的對稱性展現在它們同樣适用于時間和空間上所有的點。然而，許多系統都違反了這種對稱性。在磁鐵中，原子自旋會有序排列起來，而不是指向各個方向。
在礦物晶體中，原子占據了空間中的固定位置，若稍有偏移，晶體看起來就是截然不同的了。實體學家将這種等價變換導緻屬性變化的現象稱為對稱性破缺。在自然界，對稱性破缺無處不在——磁性、超導性，甚至還有賦予所有粒子品質的希格斯機制皆根源于此。
2012年，現任教于瑞典斯德哥爾摩大學的Wilczek開始好奇為什麼對稱性不會在時間上自發破缺，以及能否創造出在時間上自發破缺的物質。他将這種物質稱為時間晶體。
實驗實體學家構想出了這種物質的量子版本：它可能是一個無休止地旋轉、循環，然後傳回初始格局的原子環。其屬性永遠随着時間同步變化，就像晶體中原子的位置随空間變化一樣。該系統處于最低能态，但其運動卻不需要外力。在實質上，時間晶體是一種永動機，不過它不能産生可用的能量。
Illustration by Peter Crowther
“乍一看，人們會覺得這個想法一定是錯的，”Yao說。從定義來說，處在最低能态的系統不會随時間變化。Yao說，如果出現了變化，就意味着系統還有額外的能量可以失去，旋轉也會很快停止。“但Frank說服了科研界，使大家相信這個問題比看上去更加微妙，”他說。在量子世界，永動并非沒有先例：理論上說，超導體就能永遠導電（但電流是均勻的，是以在時間上沒有變化）。
渡邊悠樹（Haruki Watanabe）在加州大學伯克利分校完成了博士學位。從走出第一場博士學位口試起，他就開始思考這些互相沖突的問題了。在考試中，他展示了自己有關空間對稱性破缺的研究結果；導師問他Wilczek提出的時間晶體有何深遠意義。
渡邊悠樹說：“在考場上，我沒有回答出來，但這個問題激起了我的興趣。”當時，他對這種物質存在的可能性非常懷疑。“我在想，‘我該如何說服人們這是不可能的呢？’”
于是，渡邊悠樹與東京大學的實體學家押川正毅（Masaki Oshikawa）一起，開始嘗試以嚴謹的數學方式證明自己直覺得出的答案。通過将問題（時間晶體為何是不可能的）表述為一個系統中相距遙遠的部分在空間和時間上的關系，他們在2015年推導出了一個定理，表明時間晶體不可能在任何處在其最低能态的系統中創造出來。研究者還證明，對任何平衡系統（也就是各種能量都已達穩定狀态的系統）來說，創造出時間晶體都是不可能的。
在實體學界看來，這個問題的答案相當明确。“時間晶體似乎是完全不可能實作的，”Monroe說。但他們的證明留下了一個漏洞。他們并沒有排除時間晶體在還沒有達到穩态的非平衡系統中存在的可能性。全球各地的理論實體學家開始思考如何創造出其它版本的時間晶體。
粒子湯
而突破還是出現了，而且來自一個誰也沒想到的實體學領域。這個領域的研究者當時完全沒有在考慮時間晶體這個問題。
Shivaji Sondhi是普林斯頓大學的理論實體學家，他和同僚正在觀察當一些由各種互相作用的粒子組成的孤立量子系統反複受力時會發生什麼。實體學教科書說，這樣的系統的溫度将會升高，然後陷入混沌之中。但在2015年，Sondhi的團隊預測，在某些條件下，它們反而會結合在一起，形成一個在平衡态中不存在的物質相：一個表現出了人們前所未見的微妙相關性的粒子系統，其模式還會在時間上重複。
這種說法吸引了Chetan Nayak的注意，他曾經是Wilczek的學生，現在在加州大學聖塔芭芭拉分校和微軟Station Q實驗室任職。Nayak和他的同僚很快意識到，這種奇異的非平衡物質态也是一種時間晶體。但它并不是Wilczek設想的那種：它并不處在最低的能量态，而且需要周期性施加外力才能振動。不過，它也會獲得與外力不一緻的穩定節律，這意味着它能打破時間對稱性。
“這就好像是在跳繩時甩了兩下繩，但繩子隻轉了一圈，”Yao說。這種對稱性破缺比Wilczek設想的更弱：在他的設想中，繩子應該會自己轉動。
剛聽說這一切時，Monroe并沒有了解。“我了解得越多，就越對它産生興趣，”他說。
綠光照出了一個在鑽石缺陷内的電子自旋網絡（紅色）中形成的時間晶體。
Georg Kucsko
去年，他開始嘗試用原子建構時間晶體。方法極為複雜，但隻需要三種基本材料：反複幹擾粒子的外力；讓原子彼此互相作用的方法；以及随機無序元素。Monroe說，将這三者結合起來，就能保證粒子吸收的能量受到限制，進而保持穩定、有序的狀态。
在他的實驗中，這意味着反複向一條由十個镱離子組成的離子鍊交替發射雷射：第一次照射翻轉其自旋，第二次照射則讓自旋以随機方式互相作用。這種雷射組合能讓原子自旋振蕩起來，但周期是自旋翻轉的兩倍。
此外，研究者還發現，即便他們用不完美的方式翻轉系統（比如稍稍改變施加外力的頻率），振蕩仍然保持不變。Monroe說：“系統仍然處于非常穩定的頻率上。”他說，空間晶體對試圖改變其原子間固定間距的嘗試也有類似的“抵抗力”，“時間晶體展示了同樣的性質。”
在哈佛大學，實體學家Mikhail Lukin試圖實作類似的目标，但使用了截然不同的系統：3D鑽石塊。這塊鑽石上密布着約一百萬個缺陷，每個缺陷都包含着自旋。鑽石的不純淨性也提供了天然的無序性。Lukin和他的團隊使用了微波脈沖來翻轉自旋，他們發現，系統隻在極少數時間會對幹擾做出反應。
實體學家認為，這兩種系統自發打破了某種時間對稱性，進而在數學上滿足了時間晶體的标準。但對于是否應該将它們稱為時間晶體，實體學家們也有争議。“進展喜人，但在一定程度上，将它們稱為時間晶體是在濫用這一術語，”押川正毅說。
Yao表示，這些新系統的确是時間晶體，但時間晶體的定義需要縮小，以避免将人們已經充分了解、且對量子實體學家來說并不那麼有趣的現象包括其中。
但Monroe和Lukin的成果也非常激動人心，隻不過原因不同。他們的時間晶體似乎是一系列新相态的首批示例，或許也是最簡單的示例，這些相态存在于人們探索相對不多的非平衡态中。
這些晶體也許能用于一些實際應用中。其中一種晶體能在高溫下作為量子模拟系統工作。實體學家經常在納開氏度（接近絕對零度）下使用糾纏量子粒子來模拟在經典計算機上無法模組化的材料的複雜行為。
時間晶體代表着一種存在于遠高于上述溫度下的穩定的量子系統——Lukin的鑽石方法達到了室溫，有望打開不需低溫的量子模拟的大門。
Lukin說，時間晶體可能也可用于超精密傳感器。他的實驗室已經在使用鑽石缺陷來檢測溫度和磁場的微小變化了。但這種方法也有局限性，因為如果過多的缺陷包含在了較小的空間裡，它們的互相作用就會破壞其脆弱的量子态。
但在時間晶體中，這些互相作用起到了穩定作用，而非破壞作用，Lukin是以得以利用數百萬個缺陷來産生強大的信号——足以有效探測活細胞和原子厚度的材料。
Yao說，互相作用的穩定原理或可以更加廣泛地應用于量子計算中。量子計算機極具潛力，但也存在挑戰——長期以來，人們一直在試圖保護執行計算的脆弱量子位，同時保證它們可用于編碼和讀出資訊。“能否找到互相作用能穩定這些量子位的相态是一個我們很想知道的問題，”Yao說。
馬克斯·普朗克複雜系統實體學研究所主任Roderich Moessner表示，創造時間晶體的故事是一個很好的例子，說明進步往往發生在不同想法互相融合時。或許，他說，這種特殊的方法隻是制備時間晶體的衆多方法之一。ⓝ
原文釋出時間為：2017-12-26
本文作者：陶卿
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量子趣談，如需轉載請聯系原作者。