在量子计算机中造出的奇特“时间晶体”或将永远改变物理学

北京时间 9 月 17 日消息，据国外媒体报道，研究人员最近利用量子计算机创造出了一种全新物态 —— 时间晶体。

▲ 这些时间晶体在谷歌的 Sycamore 芯片中创造而成，保存在量子低温恒温器中。

时间晶体可以在两种状态之间永远循环下去，而不损失任何能量，因此成功回避了最重要的物理学定义之一 —— 热力学第二定律。该定律指出，一个孤立系统的无序性（即“熵”）必定永远处于递增状态。而这种神奇的时间晶体则可以始终维持稳定，尽管一直处于变化之中，但不会解散为随机状态。

据今年 7 月 28 日发表在预印数据库 arXiv 上的一篇论文介绍，科学家利用量子比特（即传统计算机比特的量子计算机版本），在谷歌 Sycamore 量子处理器核心中创造出了时间晶体，存续时间约为 100 秒。

这种奇特的新物态、以及它所展现的物理行为，令科学家感到激动不已，更何况仅仅九年前、人们才刚刚预言了时间晶体的存在。

在物理学家看来，时间晶体是一种非常神奇的物质，因为它们不受热力学第二定律的约束，而这可是物理学最牢不可破的定律之一。该定律指出，熵永远处于递增状态。要想提高有序性，就必须增加能量才行。

这种始终朝无序发展的倾向可以解释很多现象，例如为何将配料混合在一起很容易、但将混合物分开就很困难，或者口袋里的耳机线为何总是绕成一团。该定律也决定了时间箭头的方向：过去的宇宙永远比目前的宇宙更加有序。例如，如果将电影倒放，看起来就很诡异，因为这种熵的流动方向是与你的直觉相违背的。

但时间晶体并不遵循这一定律。它并不会逐渐达到热平衡状态（即能量或温度在其周围均匀分布），而是会卡在两种处于热平衡之上的能态之间，并且在这两种状态之间无限来回切换。

为了解释这种现象有多么异乎寻常，我们来举一个例子：假设有一个密闭的盒子，里面装满了硬币，然后被摇晃一百万次。随着这些硬币在盒子里来回弹跳，它们会“变得越来越混乱，把所有可能的排列方式都经历一遍”，直到晃动停止。打开盒子后，里面的硬币全部以随机方式排列，大约一半朝上、一半朝下。无论盒子里的硬币最初是如何摆放的，我们都可以预见到，最终它们都会呈现为这种无序的、一半朝上一半朝下的状态。

在谷歌 Sycamore 量子处理器这个“盒子”中，我们可以将量子比特视为刚才所说的硬币。就像硬币可能正面朝上或反面朝上一样，量子比特也可能为 0 或 1、或者这两种状态的叠加态。时间晶体的奇异之处在于，无论“摇晃”多少次、或者在两种状态之间切换多少次，时间晶体的量子比特都无法转化为最低能态（相当于硬币的随机排列），它们只能从开始状态跳跃到第二种状态、然后再跳回来。

时间晶体最终不会呈现为随机形态，而是会困在两种状态之间。就好像它记得自己最开始的状态、然后不断重复这一规律一样。从这一角度来说，时间晶体就如同一个永不停止摇摆的摆锤。

“就算你将一个摆锤从物理上与整个宇宙完全隔绝开来，摩擦力和空气阻力均为零，它最终仍然会停止摆动，这就是热力学第二定律的结果。”英国拉夫堡大学物理学家阿西里斯・拉扎莱德斯指出，他是 2015 年最早发现这种新物态存在的可能性的科学家之一，“能量刚开始时集中于摆锤的质量中心，但最终总会转化为物质的内部自由度，例如摆杆内部原子的振动。”

▲ 热力学第二定律称，所有系统都会朝着无序的方向演变，即能量在空间中均匀分布。

事实上，大尺度物体永远不可能像时间晶体一样，因为唯有微观世界的主宰定律 —— 量子力学，才能让时间晶体得以存在。

在量子世界中，物体同时具有粒子和波的双重特性，在空间中给定区域内的波幅代表了在该位置找到一个粒子的概率。但随机性（如晶体结构中的随机缺陷、或者量子比特之间相互作用强度的随机性）可能导致粒子的概率波在除了一块极小区域之外的空间内全部相互抵消。这样一来，粒子的位置就被固定住了，既无法移动、也无法改变状态、或与周边环境达到热平衡，即粒子被定域化了。

研究人员将粒子的定域过程作为自己的实验基础。他们使用了 20 条超导铝、作为量子比特，然后将每一条设置为两种可能状态的其中一种。接下来，他们用微波束轰炸这些超导铝条，让量子比特切换成另一种状态。研究人员将这一过程重复了数万次，并在不同的时间点暂停实验，将量子比特当时所处的状态记录下来。结果发现，所有量子比特作为一个整体、一直在两种配置之间来回切换，并且没有从微波束中吸收任何热量 —— 时间晶体就这样诞生了。

他们还观察到了一条关键线索，证明时间晶体是一种物态。在周边环境发生变化时，物态一般都非常稳定。例如，如果周边温度只是稍有改变，固体并不会就此融化，液体也不会突然蒸发或结冰。同理，如果用来改变量子比特状态的微波束稍有变化，离 180° 的“完美翻转”差了一点点，量子比特依然会切换为另一种状态。

“并不是说，如果没有刚好达到 180°，一切就全毁了。”拉扎莱德斯指出，“即使犯点小错误，时间晶体依然能神奇地翻转过来。”

打破物理的对称性是物态转变的另一标志。物理对称性是指，物理学定律对于处在任意时间点或空间点的同一物体都是相同的。例如，当水为液态时，水分子在每个空间位置上和每个方向上的流动都遵循相同的物理法则。但如果给水降温、使其转化为冰，分子就会组成晶体结构，并且每个分子在结构中都有自己特定的位置。在这种情况下，每个水分子在空间中除了自己选定的位置被占用之外、其它可能的位置全都空了出来，水的空间对称性也就被打破了。

就像水分子通过打破空间对称性、变为空间晶体一样，时间晶体也通过打破时间对称性形成。在它们转变为时间晶体状态之前，每一排量子比特在时间上始终是对称的。但微波束的周期将这些量子比特的恒定状态切分成了若干离散的片段（使激光施加的对称性变成了离散的时间平移对称性）。接下来，量子比特以微波束周期的两倍来回切换，结果成功打破了由激光施加的离散时间平移对称性，成为了我们所知的首个能够做到这一点的物质。

这些奇异之处意味着，围绕时间晶体或许能产生许多物理学新发现，谷歌 Sycamore 量子处理器也将成为进一步探索的理想平台。不过，它依然有改进的空间。就像所有量子系统一样，谷歌的量子计算机也必须与环境完全隔绝开来，防止量子比特发生“退相干”，这最终会瓦解量子定域化效应、摧毁时间晶体。研究人员还在寻找更好的处理器隔绝方法，尽量缓解量子退相干的影响，但终究无法将其彻底消除。

尽管如此，此次实验可能依然是短期内研究时间晶体的最佳途径。虽然不少项目已经成功造出了看似时间晶体的物质（利用钻石、氦-3 超流体、一种名叫“磁子”的准粒子、以及玻色-爱因斯坦凝聚体），但这些晶体的分解速度太快，来不及开展详细研究。

这些晶体在理论上过于新颖，可谓有好有坏，因为物理学家目前还不清楚它们有何用武之地。不过冯・凯瑟林克提出，它们可以被用在高精度传感器中。还有人提出，这些晶体可用于提高内存、或用于制造处理速度更快的量子计算机。

不过，时间晶体最大的用处或许已经体现出来了：让科学家得以进一步探索量子力学的边界。

“它让你不仅能够研究自然界中存在的物体，还能让你亲自设计它，考察量子力学让你做什么、不让你做什么，”拉扎莱德斯指出，“如果你在自然界中找不到某样东西，并不意味着它无法存在 —— 我们只需要自己创造一个出来就行了。”

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