​可对抗物理学的“时间晶体”是什么？探究时间晶体背后的科学

可对抗物理学的“时间晶体”是什么？探究时间晶体背后的科学

根据7月28日发表在Arxiv上的一篇研究文章称，科学家们使用谷歌 Sycamore 量子处理器核心内的量子位（传统计算机位的量子计算版本）创建了大约 100 秒的时间晶体，今天我们就来聊聊谷歌时间晶体背后的科学。

什么是时间水晶？

时间晶体是一种四维以上的空间晶体晶格，其与周围环境保持非平衡态，呈现时间平移对称破缺的特性。这个概念最早由诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克于2012年提出。相对于寻常晶体在空间上呈周期性重复，时间晶体则在时间上呈周期性重复而呈现永动状态。时间晶体在时间平移对称上具有自发对称破缺现象。时间晶体也与零点能量和动态卡西米尔效应有关。

我们大多数人都知道什么是普通晶体：一个重复的、刚性的晶格或粒子网格，如原子或分子，它们构成了一个固体、有序的结构。

▲普通晶体在空间中重复它们的结构/构型，就像刚玉的晶体结构 α-Al2O3。但是时间晶体会及时重复其量子状态。

而时间晶体与普通晶体相反，它没有晶格，没有网格，也没有固体有序的结构。在概念上，时间晶体的重要组成部分是“重复”部分。传统晶体具有在空间中重复的结构，这意味着它表现出平移对称性（如果你在晶体内移动，结构在任何地方看起来都是一样的），而时间晶体应该按时间周期性地重复其配置。

▲即使处于基态，电子仍然具有非零能量，这意味着随着时间的推移总会有随机运动。只有当系统周期性地返回到准确的原始状态，没有热噪声或其他缺陷时，才能创建时间晶体。

最初，当弗朗克·韦尔切克第一次提出时间晶体这个概念时，由于多种原因，时间晶体被认为是不可能的，因为它违反了热力学第二定律和能量守恒定律，这些定律证明了时间晶体的不可能性。

但理论家们在这些定律中发现了漏洞，并由实验家直接在实验室中创造了它。2016年，诺曼·姚和他的团队通过一个非常巧妙的计划，想出了一个创造时间晶体的方案。他没有采用一个封闭的、恒定的系统，而是利用一个具有失衡条件的系统，然后，他会从外部“驱动”该系统，使其成为开放而非封闭的系统，并实现被认为不可能的“时间晶体”状态。

▲作为 Ising 相互作用强度和自旋回波脉冲缺陷的函数的离散时间晶体的相图。仅在蓝色阴影区域中实现了时间晶体状态，其中 x 轴是偶极自旋（相互作用强度），y 轴是注入系统的驱动力（脉冲）。

这有点复杂，但你可以想象你有一堆有自旋的原子，“驱动”系统的方法是让系统接受包含缺陷的自旋回波脉冲，但这些脉冲会周期性发生，同时允许相互作用在中间时间随机发生。如果自旋原子和自旋回波脉冲的这些偶极矩的组合以某种方式表现，你可以得到一个时间晶体。

然而，困难的部分是你与系统交互时发生的事情：如果存在能量交换，则该能量会在整个系统内部传递，从而导致由于多体相互作用而失控的热量，而“时间晶体”只会从初始状态振荡离开然后返回到初始状态。只有当你周期性地回到你的初始状态，没有额外的加热并达到一个纯粹的稳态，你才能制造出时间晶体。

▲创建时间晶体的蓝图：采用纠缠系统并用自旋翻转脉冲驱动它。在一段时间的某个倍数处，您将返回到相同的初始状态。

姚的作品于2016年8月首次亮相，随后由哈佛大学的米哈伊尔·卢金( Mikhail Lukin ) 和马里兰大学的克里斯托弗·门罗( Christopher Monroe )对其进行了测试，他们采用了不同的方法

门罗的小组采用了一系列一维排列的钇原子，这些原子都通过静电相互作用耦合在一起。当他们对这条原子线施加一系列自旋翻转脉冲时，他们发现系统在每两个完整的脉冲周期就会恢复到初始状态。

与此同时，卢金的团队采用一块钻石晶体，其中包含大约 1000000 个自旋杂质，并用微波辐射脉冲处理晶体中的这些杂质。该辐射翻转了它们的自旋，但每三个完整脉冲周期才返回其初始量子状态。

▲米哈伊尔·卢金 (Mikhail Lukin)团队的钻石晶体因含有大量氮杂质而变黑。

但正如弗朗克·韦尔切克在2012年最初设想的那样，理想化的时间晶体将出现在处于热平衡的系统中——既不从周围环境吸收能量也不向周围环境发射能量。为了创造一个时间晶体，你需要有一个开放的系统，可以与其外部环境交换能量，并且该系统需要以周期性频率驱动。

▲十个具有自旋的钇原子，用于创建时间晶体。每经过两个完整的脉冲周期，全套原子就会恢复到初始自旋。

早在 2016/2017 年首次实现这些时间晶体时，人们就意识到时间晶体可以应用于量子计算机。与标准计算机编码的“0”或“1”不同，量子计算机不是编码一个比特，而是编码一个量子比特。

▲在平衡（a）中，只有最低能量状态是有序的，高能量状态是无序的。在大多数驱动系统 (b) 中，没有状态是有序的。但在多体定位系统 © 中，所有状态都可以排序，允许定期返回原始状态的可能性。

时间晶体的理论新颖性在某些方面是一把双刃剑。目前科学家们正在努力为它们找到明确的应用，有人建议将它们用作高精度传感器，或者将晶体用于更好的内存存储或开发具有更快处理能力的量子计算机。

而在另一种意义上，时间晶体的最大应用可能已经在这里——使科学家能够探索量子力学的边界。