时间晶体即将诞生？
当地时间 7 月 28 日，谷歌在一篇预印本论文中表示，其首次使用 “悬铃木” （Sycamore）量子计算机创造出了 “真正的时间晶体”。
图 | 在不消耗能量的情况下时间晶体可在两种状态间来回翻转（来源：Quanta Magazine ）
参与该研究的科学家超过 80 人，分别来自斯坦福大学、普林斯顿大学、MIT 和德国德累斯顿马普固体化学物理学研究所（德累斯顿）等科研院所，论文标题为《在量子处理器上观测时间晶体的本征态序》（Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor ）。
图 | 论文作者多达八十几位（来源：arXiv ）
论文作者之一的德累斯顿研究所物理学家罗德里希・莫斯纳（ Roderich Moessner）告诉媒体：“这一结果是惊人的，我们逃避了热力学第二定律。”
此前，许多学者都在尝试模拟和制造时间晶体，但始终未能如愿。在谷歌量子计算机 “悬铃木”的帮助下，该团队实现了之前从未完成的实验，即模拟那些人类可以想象、但自然界可能永远不会存在的东西。
图 | 本征态中的序（来源：arXiv ）
北京理工大学物理学院教授尹璋琦分析称，在 2017 年科学家已经观察到这类离散时间晶体。一般来说，给一个系统做周期性驱动，系统很快就会热化，它的运动也变得杂乱无章。
而离散时间晶体会长时间稳定，它并不会吸热，整个系统在外界驱动下不断地翻转，步调保持一致，不会变得杂乱无章。不仅如此，离散时间晶体还破缺了时间对称性，比如说外加驱动周期为 T 时，离散时间晶体翻转的周期为 NT，这里 N 是一个大于 1 的数。
以往的实验对于系统初态要求很苛刻，必须初始化到某个初态才能展现出离散时间晶体的特性。此次实验实现的离散时间晶体很稳定，更一般的本征态也可出现时间晶体。也就是说，本次成果展示了一个非平衡的、可长时间存在，且破缺了离散时间平移对称性的离散时间晶体。
目前还不清楚离散时间晶体是否有实际用途，但其稳定性和可预测性或许会成为突破口。
当它处于周期运动状态时，如果对其进行规律性观察，就会得到时间晶体的确定状态，这或可帮助量子计算机进行信息储存。还有一些科学家认为，时间晶体或将揭示时间本质的深刻含义。
（来源：arXiv ）
巨头谷歌和物理学家的 “天作之合”
此次谷歌和科研院所的合作，可谓 “门当户对”。当时，前文所述的物理学家组成的时间晶体团队，找到了谷歌量子计算团队。
莫斯纳表示，2019 年他看到谷歌宣布 “悬铃木” 量子计算机成果时，就意识到 “悬铃木” 可能 “正是他的菜”。
巧的是，当时谷歌也在寻找能测试机器性能的任务，谷歌理论物理学家科斯佳・克切吉（Kostya Kechedzhi）表示，他们的工作是尝试将这台机器用作研究新物理、或新化学的科学工具。
但是，作为该公司第一台量子计算机成品，“悬铃木” 的运算错误率太高，难以运行专为成熟量子计算机设计的密码算法和搜索算法。因此，这支由世界顶尖物理学家组成的时间晶体团队、与谷歌一拍即合。
（来源：谷歌 ）
量子计算机的主要优势在于，它能调整量子比特之间的相互作用强度，而它本身也由量子比特组成。
据悉，谷歌的量子比特由超导铝条组成，每个超导铝条都有两种可能的能量状态，因此可通过编程来表示粒子向上或向下的自旋，每个粒子都能同时保持两种可能状态，并被标记为 0 和 1。
而这种可调性，恰好是实现离散时间晶体的关键。研究中，该团队使用一个带有 20 个量子比特的芯片作为时间晶体，通过为每个初始配置运行数万次测试，并在运行不同时间间隔后、去测量量子比特的状态，借此可观察到在两个多体局域化状态间，自旋系统正在进行来回转换。
图 | 观察特征态顺序与瞬态现象的区别（来源：arXiv ）
冰作为一种空间晶体，它的物质状态特点是极其稳定，只要不超过 0 摄氏度，即使出现温度大幅波动，冰仍然可以保持固态。类似的，研究人员发现微波脉冲只要在小于 180 度的范围内翻转自旋方向，自旋就能在两个脉冲后重返初始方向，就像小船在水面上回左摇右摆，只要船不翻，就能恢复姿势。
尹璋琦告诉 DeepTech，该成果属于基础研究，和老百姓的生活没有太大关系。其本质在于不光是验证一个基础问题，也在于测试量子计算机的性能。
据了解，谷歌为了做本次实验，特意提升了量子计算机的性能比如量子逻辑门的保真度等。通过一系列的标定和验证，最终有望让量子计算逐渐走向实用。
尹璋琦说自己一年前就看到了谷歌的理论方案，国内也有团队在做相关的实验研究。他还表示，国内的腾讯公司在超导量子计算实验上，已经发表过两篇论文，阿里巴巴、华为和百度等公司也有量子计算研究的相关团队。
图 | 通过量子典型性探测平均光谱效应（来源：arXiv ）
时间晶体的 “前世今生”
时间晶体听起来很玄幻，但它既不是电影《复联》中的时间宝石，也没有穿越时空的力量，它是物理学家多年来正在努力创造的新物质状态，并且是一种不会自然存在的状态。
尹璋琦告诉 DeepTech：“时间晶体于 2012 年由诺奖得主、美国犹太裔理论物理学家弗朗克・韦尔切克（Frank Wilczek）提出。
和时间晶体对应的是空间晶体，盐、水晶和钻石等都是空间晶体，它们的表现在于一个原子在空间中周期性地排列，形成了空间上的结构。
韦尔切克认为，既然在空间中有结构，那么在时间中是否有结构？如果有的话，那么在时间中应该也能形成晶体，借此他提出了时间晶体的概念。”
图 | 弗朗克・韦尔切克（Frank Wilczek）（来源：资料图）
韦尔切克曾表示，这个想法是他在教授普通空间晶体课程时冒出来的，他说：“如果你从太空的角度思考晶体的构成，自然而然地就会想到时间是不是会影响晶体行为。”
但尹璋琦也表示，时间晶体也引起了较大争议，受限于理论原因，韦尔切克的最初设想很难做到。
后来，人们把时间晶体的概念做了推广，即由无外加驱动且处于平衡态的时间晶体，推广到周期性驱动下处于非平衡态的离散时间晶体。所谓离散时间晶体，指的是它能自发地破缺系统离散的时间平移对称性。
图 | 尹璋琦（来源：资料图）
说到这里尹璋琦打了个比方，处于离散时间晶体态的 “鼓”，敲它两下（或者更多）才会响一声，也就是说鼓的响应少于外界对它的驱动。假如驱动周期是一秒钟，而鼓震动的周期是两秒钟，也就是鼓不按照外界的驱动来走，这就等于鼓的时间平移性被破缺了。
简单来说，时间晶体一旦处于激活状态，不需要能量输入就可以不断地、有规律地 “左右横跳”。因为其运动具有周期性，所以在一个特定时间点观察时间晶体，就一定会得到期望看到的样子。
不同团队的殊途同归？
一直以来，关于时间晶体的研究，都有几条路线，其中有两条路线比较知名。
第一条路线发生在 2015 年，也是本次谷歌团队联合开发的路线。该团队发现，在特定方式下如果用激光刺激上述系统，粒子就会来回反复翻转，在两个截然相反的多体局域化状态之间，粒子会进行永远的重复循环，并且不会从激光中吸收任何净能量。
当时他们并未把该成果与 “时间晶体” 联系起来，只是发表了论文，并用 “第一个多体、非平衡的相” 阐述了这种新型物质状态，后来在一名审稿人的提醒下，他们才将该成果与 “时间晶体” 联系起来。
图 | 用于存放谷歌量子处理器的低温恒温器（来源：资料图）
第二条路线指的是，韦尔切克此前的学生、现为加州大学圣塔芭芭拉分校理论物理学家的切坦・纳亚克（Chetan Nayak），与马里兰大学的物理学家克里斯・门罗（Chris Monroe）联合使用电磁场来捕获和控制离子。2017 年，该团队的相关论文发表在 Nature 上。
尹璋琦评价称，2017 的实验只有十个量子比特，且只能在特定初态下看到离散时间晶体，系统稳定性不足。而本次的谷歌实验是三年前的后继，其更加符合理论构想和设计，即在更大的系统和更一般的初态中做出了时间晶体，也做出了一些非平衡的相变。
牛津大学凝聚态物理学家约翰・查尔克（John Chalker）持有相同观点，他告诉媒体：“有充分的理由认为，此前的实验都没有完全成功，量子计算机将特别适合此类工作，比那些早期实验做得更好。”
就在 2021 年 6 月，纳亚克团队在 Science 上发表论文称，他们用被捕获的离子实现了与时间晶体很相似的状态，其在两种状态之间转换的周期性变化，和真正的时间晶体非常相似。
这种状态不是永恒的，如果实验运行的足够长，系统就会趋于平衡，循环也会被破坏。纳亚克评价自己的成果称：“有了时间晶体，时间似乎突然与其他三个维度站在一起了。”
但也有人不同意这种说法，认为 “目前的时间晶体仍不能完美地统一时间和空间”。不过，在探索量子计算机的可能性的推动下，未来将出现更多讨论。凝聚态物理学的研究重点，也可能会从研究大自然赋予我们的东西，转变为想象量子力学允许的奇特物质形式。
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