不得不承認，時間晶體這個名字或許會讓人想到一些神奇的東西，比如魔法水晶球或者某種時間旅行裝置。但時間晶體是真實存在的，盡管它們在某些方面确實有點兒像魔術。
時間晶體的概念最早由諾貝爾獎得主弗蘭克·維爾切克提出，它們實際上是一種獨一無二的粒子排列，可以在時間和空間上都處于永久而往複的運動中。
在近日的一項研究中，兩位澳洲科學家在一台最先進的量子計算機上觀察到了57個超導量子比特上的離散時間晶體（DTC）。這是繼去年谷歌團隊之後第二項在量子計算機上成功建立時間晶體的研究。論文已于近日發表在《科學進展》上。
時間晶體
時間晶體之是以如此被看重，是因為它們是物質的一種新的相，它們并不處于平衡或穩态，而是在各種狀态之間切換。
像岩鹽和鑽石這樣的固體晶體，是由它們的原子在空間上的排列和重複方式來定義的。與這些日常的“空間晶體”相比，時間晶體則是一個在時間和空間上重複的粒子系統。
此外，它們的狀态幾乎非常接近挑戰實體學定律的邊緣，因為它們從某種程度上來說是“永動”的。一個時間晶體會自發地、永久地在兩種不同配置之間來回切換。而之是以說它“幾乎”違反了實體學定律，是因為雖然通常認為運動的能量總會在熵（系統中無序的衡量标準）增加的過程中耗散，但是由于我們無法從時間晶體的永動中提取能量，是以實際上并不存在能量耗散。
為了更好地了解這裡的奇怪之處，我們可以類比一個日常的場景。在烘焙時，我們會在一個碗裡放上面粉和糖，當把它們攪拌在一起時，熵不斷增加，物質變得更加無序，這樣就不再是面粉和糖了，而是兩者的混合物。
現在，讓我們想象一下熵不會增加的場景，無論你把兩者混在一起多長時間，所有面粉始終在碗的一邊，而糖還是在另一邊。時間晶體就像是這樣一個面粉和糖永不混合的不可能系統，也就是說，熵随着時間的流逝保持靜止。這就是為什麼全世界的實體學家都對時間晶體感到興奮。
但是，建構一個時間晶體并沒有那麼簡單，需要滿足許多要求。為了避免熱化，也就是面粉和糖随着熵增而混合，時間晶體的各個組分必須與環境隔絕，否則熱振動總會破壞時間晶體系統。
這聽起來非常困難，但實際上，已經有一類本來就需将其元件盡可能隔絕的機器存在，那就是量子計算機。
量子計算機
和時間晶體類似的是，量子計算機使用了獨特的粒子系統來建立一個可用于處理資料的量子态。一種用于隔離脆弱的量子态的常見技術，是将其保持在極低的溫度下。
去年，來自谷歌和一些機構的研究人員成了第一個利用量子計算機建立時間晶體的團隊，并于2021年11月在《自然》雜志上發表了他們的研究。現在，在新的研究中，來自墨爾本大學的實體學家Philipp Frey和Stephan Rachel同樣在量子計算機中觀察到了他們的時間晶體。
兩位科學家通過墨爾本大學的IBM量子中心獲得了線上通路權，進而有權限通路IBM量子計算機的最佳性能的部分（分區）。
将量子計算機變成一個時間晶體在其他方面也滿足要求。例如，系統的初始狀态可以被準備好。量子比特“0”和“1”的狀态就可以被看作“面粉和糖”。0和1的不同配置是普通計算機比特處理資訊的基礎，但在量子計算機中，量子比特可以是獨特的0和1的疊加态，進而加強了資訊處理和計算的能力。
雖然IBM量子計算機上的量子模拟仍然有些噪聲，帶有缺陷或幹擾，這也印證了目前所有量子計算機還隻是原型機，但研究仍然觀察到了一個時間晶體，其中量子比特的配置不斷重複。
在65個量子比特的晶片中（黑色的）57個量子比特被用來模拟DTC。| 圖檔來源：Science Advance
迷人的應用前景
這種奇特的量子系統本身就極具吸引力，同時，時間晶體也有一個明顯的應用。由于配置不斷重複，這個系統将永遠不會丢失記憶。也就是說，它永遠不會忘記這種初始狀态。這就意味着，時間晶體有潛力構成一個完美的量子記憶裝置。
同時，量子計算機雖然已經被預言到了諸多應用前景，但這項研究更加映照出了實體學家理查德·費曼在30年前預想的——利用量子計算機進行基礎實體學的研究。
但作為物質的一個新的相，還有很多關于時間晶體的知識有待了解，我們認識到的越多，它們的應用就越有吸引力。量子計算機作為創造和研究時間晶體的手段，一定會加速科學家在這場新的量子競賽中的認識。
#創作團隊：
編譯：M ka
排版：雯雯
#參考來源：
https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/observing-time-crystals
https://theconversation.com/an-ever-ticking-clock-we-made-a-time-crystal-inside-a-quantum-computer-178164
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652#
#圖檔來源：
封面圖：max pixel
首圖：pixabay