雖然聽起來很像是電子游戲里的產(chǎn)物，但現(xiàn)實(shí)世界里確實(shí)有“時(shí)間晶體”（Time Crystal）這種奇特的物質(zhì)。早在幾個(gè)月前，就已經(jīng)有報(bào)道稱谷歌將在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)。現(xiàn)在，我們可以更確切地知曉它已被用于 Google 的 Sycamore 量子處理器。
（Google Quantum AI 芯片）
據(jù)悉，規(guī)則晶體的特點(diǎn)是以高度有序的原子結(jié)構(gòu)重復(fù)出現(xiàn)。但科學(xué)家提出了一個(gè)假設(shè)，若這些原子可在空間維度上重復(fù)，那是否有種晶體會(huì)以隨時(shí)間重復(fù)的模式而存在呢？
早在 2012 年，諾貝爾獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）就假設(shè)所謂的時(shí)間晶體可能存在。但直到 2016 年，研究團(tuán)隊(duì)才在實(shí)驗(yàn)室中加以證明。
后續(xù)研究則將更多精力放在了晶體的生長上，以及觀察它們之間的相互作用。可知在時(shí)間晶體中，原子以周期性重復(fù)的模式運(yùn)動(dòng)，而我們可以根據(jù)它們的自旋來預(yù)測上下翻轉(zhuǎn)。
奇怪的是，這種節(jié)奏并不遵循著啟動(dòng)頻率。而在一套完美的系統(tǒng)中，原子可在沒有任何進(jìn)一步輸入的情況下，永遠(yuǎn)保持著它的節(jié)奏。
時(shí)間晶體可在不消耗能量的情況下，于兩種狀態(tài)間來回翻轉(zhuǎn)。
如果用日常生活中的事務(wù)來舉例，我們可將時(shí)間晶體看做一個(gè)奇怪的明膠碗。在你撥動(dòng)了它之后，預(yù)期中肯定會(huì)希望它在搖晃幾秒鐘后停下，然后你又可以再次撥動(dòng)。
然而時(shí)間晶體的獨(dú)特之處，在于你只需輕輕撥動(dòng)兩下，它就會(huì)在搖晃和不搖晃的狀態(tài)間，持續(xù)交替變化下去。雖然聽起來像是個(gè)接近“永動(dòng)機(jī)”的悖論，但時(shí)間晶體在技術(shù)上并未違反熱力學(xué)定律。
哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)指出，能量在整個(gè)系統(tǒng)中依然守恒 —— 只是熵（一種無序的度量）沒有減少，而是保持不變。
以 Google 的 Sycamore 量子處理器為例，為啟動(dòng)時(shí)間晶體，研究團(tuán)隊(duì)用激光破壞了 20 個(gè)量子比特的晶格。
然后每兩次激光脈沖，量子比特只會(huì)發(fā)生一次自旋翻轉(zhuǎn) —— 這打破了時(shí)間平移的對稱性，并創(chuàng)建出了時(shí)間晶體。
更重要的是，這是晶體首次表現(xiàn)出‘多體定位’（many-body localization），這種現(xiàn)象使它們保持著穩(wěn)定。
在這場特殊的實(shí)驗(yàn)期間，科學(xué)家們只對這個(gè)系統(tǒng)保持了數(shù)百個(gè)周期的觀察。但他們表示，理論上是可以借助量子計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行的模擬，來驗(yàn)證時(shí)間晶體的長期穩(wěn)定性的。
截圖（來自：Nature）
研究合著者羅德里奇·莫斯納（Roderich Moessner）表示：
我們設(shè)法利用量子計(jì)算機(jī)的多功能性，來幫助我們分析其自身的局限性。它基本上能夠高速我們?nèi)绾渭m正自己的錯(cuò)誤，以便通過有限時(shí)間的觀察，來確定理想狀況下的時(shí)間-結(jié)晶模式。
有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然》雜志上，原標(biāo)題為《Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor》。
