時(shí)間晶體的成功，或可在谷歌的懸鈴木量子計(jì)算機(jī)中，助科學(xué)家一探量子力學(xué)的究竟

谷歌量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部造出的超凡脫俗的“時(shí)間晶體”可能會(huì)永遠(yuǎn)改變物理學(xué)

時(shí)間晶體的成功，或可在谷歌的懸鈴木量子計(jì)算機(jī)中，助科學(xué)家一探量子力學(xué)的究竟

這種晶體能在不同狀態(tài)間永遠(yuǎn)循環(huán)且不損失能量。

時(shí)間晶體制造于谷歌的“懸鈴木”芯片中，該芯片在其量子低溫恒溫器中保持冷卻。（圖片來源：埃里克·盧塞羅/谷歌公司）

與谷歌合作的研究人員剛剛使用這家科技巨頭的量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了一個(gè)全新的物質(zhì)相位——時(shí)間晶體。

由于時(shí)間晶體能在兩種狀態(tài)間永遠(yuǎn)循環(huán)而不損失能量，它避開了最重要的物理定律之一——熱力學(xué)第二定律，即孤立系統(tǒng)的無序度或熵必須始終增加。這些奇怪的時(shí)間晶體盡管處在恒定的流動(dòng)狀態(tài)中，卻保持穩(wěn)定并抵抗任何隨機(jī)性的溶解。

根據(jù)發(fā)布在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫（arXiv）上的一篇研究文章，科學(xué)家們能在谷歌的“懸鈴木”量子處理器內(nèi)核中的量子位（量子計(jì)算的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位版本）中創(chuàng)建大約100秒的時(shí)間晶體。

這一奇特的新物質(zhì)相的存在，以及它所揭示的全新物理行為領(lǐng)域，令物理學(xué)家們無比興奮，尤其是因?yàn)闀r(shí)間晶體在九年前才首次被預(yù)測存在。

“這是一個(gè)巨大的驚喜，”英國伯明翰大學(xué)的物理學(xué)家柯特·馮·凱瑟林克（Curt von Keyserlingk）雖沒有參與這項(xiàng)研究，但他告訴《生活科學(xué)》（Live Science），“如果你在30年、20年甚至10年前問某人，他們都不會(huì)想到這一點(diǎn)?！?/p>

物理學(xué)家對(duì)時(shí)間晶體非常著迷，因?yàn)樗鼈兓旧媳荛_了熱力學(xué)第二定律——物理學(xué)中最固若金湯的定律之一。它指出熵（系統(tǒng)中無序量的粗略模擬）總是增加。如果你想讓一切變得更加有序，你需要投入更多精力。

這種無序增長的趨勢(shì)解釋了很多事情，比如為什么把原料攪拌成混合物比再次把它們分開更容易，或者為什么耳機(jī)線在褲子口袋這么容易打結(jié)。它還設(shè)定了時(shí)間之箭，過去的宇宙總是比現(xiàn)在更有秩序；例如，反著觀看視頻可能會(huì)讓你覺得奇怪，主要是因?yàn)槟阏谀慷眠@種熵流的反認(rèn)知逆轉(zhuǎn)。

熱力學(xué)第二定律表示所有系統(tǒng)都朝著更無序的狀態(tài)演化，能量在整個(gè)系統(tǒng)中均勻地共享。（圖片來源：由通用圖像組的通用歷史檔案館提供，引自蓋蒂圖片社）

時(shí)間晶體不遵循這個(gè)規(guī)則。它們不是緩慢地接近熱平衡——“熱化”使時(shí)間晶體的能量或溫度均勻地?cái)U(kuò)散到周圍環(huán)境中，它們被困在平衡狀態(tài)以上的兩個(gè)能量狀態(tài)之間，在它們之間無限期地來回循環(huán)。

為了解釋這種行為有多么不尋常，馮·凱瑟林克說，想象一個(gè)裝滿硬幣的密封盒子，被搖晃了一百萬次。隨著硬幣的搖晃、碰撞，它們“變得越來越混亂，探索它們可以探索的一切形態(tài)”，直到晃動(dòng)停止，盒子被打開，大約一半的硬幣朝上，一半朝下，呈現(xiàn)出硬幣的隨機(jī)形態(tài)。我們期望看到這個(gè)隨機(jī)的、一半向上、一半向下的端點(diǎn)，無論盒子中硬幣第一次的排列方式如何。

在谷歌“懸鈴木”的“盒子”里，我們可以像理解硬幣一樣去了解量子處理器的量子比特。就像硬幣可以是正面或反面，量子位也可以是1或0——兩態(tài)系統(tǒng)中的兩個(gè)可能位置——或者兩種狀態(tài)概率的奇怪組合，稱為疊加。馮·凱瑟林克說，時(shí)間晶體的奇怪之處在于，再多的搖動(dòng)或從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的跳躍都不能將時(shí)間晶體的量子位移動(dòng)到最低能量態(tài)這一隨機(jī)形態(tài)；他們只能將其從起始狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)，然后再重來一遍。

“這有點(diǎn)兒觀點(diǎn)大反轉(zhuǎn)的意思”，馮·凱瑟林克說，“它最終看起來并不是隨機(jī)的，它只是被卡住了。就好像它記得最初的樣子，然后隨著時(shí)間的推移重復(fù)這種模式?！?/p>

從這個(gè)意義上說，時(shí)間晶體就像一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)停止擺動(dòng)的鐘擺。

“即使你在物理上將鐘擺與宇宙完全隔離，那么沒有了摩擦力和空氣阻力，它最終也會(huì)停止。其緣由是熱力學(xué)第二定律的存在?！庇虮ご髮W(xué)物理學(xué)家阿基利亞斯·拉扎里季斯（Achilleas Lazarides）2015年首次發(fā)現(xiàn)新階段理論可能性的科學(xué)家之一，他告訴《生活科學(xué)》（Live Science），“能量一開始集中在鐘擺的質(zhì)心，但所有這些內(nèi)部自由度——就像原子在桿內(nèi)振動(dòng)的方式一樣——最終都會(huì)被轉(zhuǎn)移到其中?！?/p>

事實(shí)上，一個(gè)大型物體要想表現(xiàn)得像一個(gè)時(shí)間晶體，就不可能不聽起來很荒謬，因?yàn)槭箷r(shí)間晶體得以存在的唯一準(zhǔn)則是一些詭異而超現(xiàn)實(shí)的規(guī)則，這些規(guī)則統(tǒng)治著非常微觀的世界——量子力學(xué)。

在量子世界中，物體可以同時(shí)表現(xiàn)為點(diǎn)粒子和小波，在空間中給定的任何區(qū)域中這些波的大小代表在該位置找到粒子的概率。但隨機(jī)性（例如晶體結(jié)構(gòu)中的隨機(jī)缺陷或量子比特之間相互作用強(qiáng)度中的程序隨機(jī)性）可能會(huì)導(dǎo)致粒子的概率波在一個(gè)非常小的區(qū)域之外的任何地方消失。定在原地、無法移動(dòng)、改變狀態(tài)或與周圍環(huán)境一起“熱化”，粒子就會(huì)被鎖在局部范圍里。

研究人員以這一鎖定過程為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)?？茖W(xué)家們用20條超導(dǎo)鋁作為量子位，將每一條設(shè)定為兩種可能態(tài)之一。然后，通過在鋁條上發(fā)射微波束，便能夠促使量子位翻轉(zhuǎn)狀態(tài)；研究人員重復(fù)了數(shù)萬次實(shí)驗(yàn)，并在不同的點(diǎn)停止，以記錄他們的量子位所處的狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，他們收集的量子位只在兩種配置之間來回翻轉(zhuǎn)，而且這些量子位也不會(huì)吸收微波束的熱量——這意味著，他們制作出了一個(gè)時(shí)間晶體。

他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵線索，即他們的時(shí)間晶體是物質(zhì)的一個(gè)階段。對(duì)于被視為一個(gè)階段的事物，它通常必須在波動(dòng)面前非常穩(wěn)定。如果周圍的溫度稍有變化，固體就不會(huì)融化；輕微的波動(dòng)也不會(huì)導(dǎo)致液體蒸發(fā)或突然凍結(jié)。同樣，如果用于在狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)量子位的微波束調(diào)整到接近但稍微偏離完美翻轉(zhuǎn)所需的180度，量子位仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)。

“如果你沒有完全處于180度，你就不會(huì)擾亂它們，”拉扎里季斯說，“神奇地是，即使你犯了一點(diǎn)點(diǎn)小錯(cuò)誤，它（時(shí)間水晶）也總會(huì)傾斜一點(diǎn)點(diǎn)?！?/p>

從一個(gè)階段移動(dòng)到另一個(gè)階段的另一個(gè)標(biāo)志是物理對(duì)稱性的打破。所謂物理對(duì)稱性是在時(shí)空的任何節(jié)點(diǎn)上，物體的物理定律都是相同的。作為一種液體，水中的分子在空間中的每個(gè)點(diǎn)和每個(gè)方向都遵循相同的物理定律，但將水冷卻到足夠低，使其轉(zhuǎn)化為冰，其分子將沿著晶體結(jié)構(gòu)（或晶格）選擇規(guī)則的點(diǎn)來排列。突然間，水分子在空間中有了優(yōu)先占據(jù)的點(diǎn)，而它們離開之處的其他點(diǎn)的位置則空出來——水的空間對(duì)稱性就被自發(fā)地打破了。

就像冰在空間中通過打破空間對(duì)稱而變成晶體一樣，時(shí)間晶體在時(shí)間中通過打破時(shí)間對(duì)稱而變成晶體。首先，在轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間晶體相之前，這一排量子比特將在時(shí)間的所有時(shí)刻之間經(jīng)歷一個(gè)連續(xù)的對(duì)稱性。但微波束的周期性循環(huán)將量子位所經(jīng)歷的恒定條件分解為離散包（使微波束施加的對(duì)稱性變成離散時(shí)間平移對(duì)稱性）。然后，通過以兩倍于光束波長的周期來回翻轉(zhuǎn)，量子比特打破了激光施加的離散時(shí)間平移對(duì)稱性。它們是我們所知道的第一批能夠做到這一點(diǎn)的物體。

所有這些奇怪之處使時(shí)間晶體富含新的物理元素，“懸鈴木”為研究人員提供的超越其他實(shí)驗(yàn)裝置的控制可能使其成為進(jìn)一步研究的理想平臺(tái)。然而，這并不是說它無法被完善。與所有量子系統(tǒng)一樣，谷歌的量子計(jì)算機(jī)需要與環(huán)境完全隔離，以防止其量子比特經(jīng)歷一個(gè)稱為退相干的過程，這個(gè)過程最終會(huì)破壞量子局部化效應(yīng)，破壞時(shí)間晶體。研究人員正在研究如何更好地隔離處理器，減輕退相干的影響，但他們不太可能永遠(yuǎn)消除這種影響。

盡管如此，在可預(yù)見的未來，谷歌的實(shí)驗(yàn)可能仍然是研究時(shí)間晶體的最佳方式。盡管許多其他項(xiàng)目以其他方式成功地制造出了令人信服的時(shí)間晶體——鉆石、氦-3超流體、稱為磁振子的準(zhǔn)粒子以及玻色-愛因斯坦凝聚體——但在這些裝置中產(chǎn)生的晶體大多消散得太快，無法進(jìn)行詳細(xì)研究。

這種晶體在理論新穎性方面是一把某種程度上的雙刃劍，因?yàn)槲锢韺W(xué)家目前正努力為其找到明確的應(yīng)用，盡管馮·凱瑟林克（von Keyserlingk）曾建議將其用作高精度傳感器。其他建議包括使用這些晶體進(jìn)行更好的存儲(chǔ)，或者開發(fā)具有更快處理能力的量子計(jì)算機(jī)。

但從另一個(gè)意義上講，時(shí)間晶體的最大應(yīng)用可能已經(jīng)在這里：它們?cè)试S科學(xué)家探索量子力學(xué)的邊界。

“它不僅可以讓你研究自然界中出現(xiàn)的事物，還可以設(shè)計(jì)自然界?？梢钥纯戳孔恿W(xué)讓你做什么，不讓你做什么?！崩锛舅拐f，“如果你在自然界中找不到某種東西，那并不意味著它不存在——而意味著，我們只是創(chuàng)造了其中的一種?！?/p>

BY: Ben Turner

FY: huangminxia

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