時間晶體，直到世界盡頭的浪漫

孫小彪

我捧出給她的禮物，那是一小塊凝固的時間，時間上有美麗的花紋，摸起來像淺海的泥一樣輕柔。在科學(xué)家的實驗中，時間晶體在不同時刻是不同的狀態(tài)，也許在第1秒它是白糖，第2秒則變成紅糖，第3秒又變回白糖;在科幻作品中，時間是可以觸碰的實體，是送給戀人的禮物，里面保存著兩個人的浪漫，直到宇宙盡頭，這份浪漫也不會消逝。

2022年3月2日，《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上刊發(fā)了一篇名為《離散時間晶體在57量子比特量子計算機(jī)上的實現(xiàn)》（Realization of a discretetime crystal on 57 qubitsof a quantum computer）的文章，說明墨爾本大學(xué)的物理學(xué)家菲利普·弗雷和斯蒂芬·瑞秋在IBM的量子計算機(jī)上設(shè)計出了57個量子比特的時間晶體。

其實在2021年7月，谷歌就曾聯(lián)合一眾科學(xué)家利用自家的懸鈴木量子處理器實現(xiàn)了20個量子比特的時間晶體，并將研究結(jié)果發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。菲利普·弗雷和斯蒂芬·瑞秋在谷歌研究成果的基礎(chǔ)上又做出了重大突破，設(shè)計出迄今最大的時間晶體。

這項成果的意義在于，它展示了量子計算機(jī)對復(fù)雜系統(tǒng)的模擬能力，讓那些只能存在于物理學(xué)家腦海中的理論模型轉(zhuǎn)化為客觀實體。

什么是時間晶體

《三體》中有一段唯美的詩：我捧出給她的禮物，那是一小塊凝固的時間，時間上有美麗的花紋，摸起來像淺海的泥一樣輕柔。在科幻作品中，時間是可以觸碰的實體，是送給戀人的禮物，里面保存著兩個人的浪漫，直到宇宙盡頭這份浪漫也不會消逝。

時間晶體（time crystals）也叫時空晶體（space-timecrystals），是一種在空間和時間上都有周期性結(jié)構(gòu)的四維晶體。我們?nèi)粘＝佑|的都是固、液、氣3種基本物質(zhì)形態(tài)，但隨著科學(xué)的發(fā)展，物質(zhì)形態(tài)的概念也得到了擴(kuò)展，比如等離子體態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、超臨界流體等。時間晶體是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，也是一種打破時間平移對稱性的非平衡態(tài)物相。

時間晶體的概念最早是由諾貝爾物理學(xué)獎得主弗蘭克·維爾切克在2012年提出的。晶體是微觀粒子在空間上周期性排列的幾何對稱結(jié)構(gòu)，三維空間的晶體我們并不陌生，比如冰塊、鉆石等。維爾切克在給學(xué)生上課時開始思考，能否把三維晶體的概念拓展到四維時空中，讓物質(zhì)在時間的維度上周期性排列。

也就是說，時間晶體在不同時刻具有不同的狀態(tài)，并且這種狀態(tài)的變化具有周期性。舉個通俗的例子，一個時間晶體可能第1秒是白糖，第2秒是紅糖，第3秒又變回白糖。

三維晶體具有空間平移對稱性破缺，與之類比，時間晶體也應(yīng)該具有時間平移對稱性破缺。

所謂空間平移對稱性，是指一個物理系統(tǒng)沿空間的某一方向平移任意距離后，物理定律不會改變。簡單來說，就是在不同地方做相同的實驗，得到的結(jié)果是相同的。而時間平移對稱性，講的是在不同時間做相同實驗，得到的結(jié)果相同。

對稱有高低之分，比如，圓形要比矩形的對稱性高，液態(tài)的水是各向同性的，固態(tài)的冰是各向異性的，水的對稱性要比冰高。這種從高對稱到低對稱的過程，就叫對稱破缺。

三維晶體需要移動整數(shù)個晶格常數(shù)的距離，才具有相同的空間結(jié)構(gòu)，與之類同，時間晶體也要經(jīng)過特定的時間長度，才能回到初始狀態(tài)。也就是說，如果你在第1、3、5等奇數(shù)秒看到的時間晶體是白糖，第2、4、6等偶數(shù)秒看到的時間晶體是紅糖，紅糖與白糖之間的差異，就是時間晶體的時間平移對稱性破缺。

新的永動機(jī)

1918年，德國女?dāng)?shù)學(xué)家艾米·諾特提出了物理學(xué)上意義重大的諾特定理，即每一個對稱性都有一個相關(guān)的守恒定律，反之亦然。

空間平移對稱性對應(yīng)動量守恒，空間旋轉(zhuǎn)對稱性對應(yīng)角動量守恒，時間平移對稱性對應(yīng)能量守恒。時間晶體雖然打破了時間平移對稱性，但它并沒有違反能量守恒定律，因為時間晶體既沒有能量輸入，也沒有能量輸出。

時間晶體如同鐘表一樣。秒針經(jīng)過60秒之后會回到原來的位置，并一直循環(huán)往復(fù)。但不同之處在于，鐘表指針的旋轉(zhuǎn)需要機(jī)械能或電能等外部能量輸入，時間晶體則無須任何外部能量輸入，因為時間晶體處于最小的能量基態(tài)。

這看起來似乎是矛盾的。時間晶體可以實現(xiàn)時間平移對稱性破缺，這意味著它在隨著時間變化不停地轉(zhuǎn)變自身狀態(tài)，也就是處于不斷運動的狀態(tài)中。而物體不斷運動，說明它有額外的能量耗散，直到能量消耗殆盡不再運動為止。

對一般系統(tǒng)而言，運動時的能量要比靜止時高;但對一些特殊系統(tǒng)來說，運動時的能量反而比靜止時要低，這種系統(tǒng)經(jīng)過能量耗散，最終會達(dá)到不斷運動的基態(tài)，這被稱為“時間上的自發(fā)對稱性破缺”。

關(guān)于自發(fā)對稱性破缺有一個經(jīng)典的例子：假設(shè)有一頂圓頂禮帽，一個小球靜止在帽頂，小球從帽頂往帽檐滑落時，它往任何方向落下的概率都是相等的，此時，我們就說這個系統(tǒng)具有旋轉(zhuǎn)對稱性。一旦小球落下，它只會往一個方向落，這就破壞了系統(tǒng)原有的對稱性。這種對稱性的破壞不是由物理規(guī)律決定的，而是由小球自身的不穩(wěn)定性引起的，這就是自發(fā)對稱性破缺。

時間晶體的這些性質(zhì)聽起來有點像永動機(jī)，但時間晶體的運動是沒有外部能量輸入的，同時，它的運動能量也不能對外輸出加以利用，所以，時間晶體并非永動機(jī)。

由于時間晶體處于基態(tài)時會持續(xù)運動，因此可以用來傳遞信息。當(dāng)物質(zhì)處于絕對零度（-273.15℃）時，周圍的物質(zhì)都處

于靜止的基態(tài)，而時間晶體能夠以能量更低的基態(tài)持續(xù)運動。

關(guān)于這一點，科學(xué)家有個很奇妙的設(shè)想：當(dāng)宇宙不斷熵增，最終達(dá)到熱寂狀態(tài)時，時間晶體因為處于能量更低的基態(tài)，可以依舊維持運動。

時間晶體的實現(xiàn)

時間晶體理論模型的提出是一回事，實現(xiàn)又是另一回事。

時間晶體的概念一經(jīng)提出，便遭受了很多科學(xué)家的質(zhì)疑，認(rèn)為它是不可能存在的。2016年，美國加州大學(xué)伯克利分校的諾曼·姚設(shè)計出了制造時間晶體的詳細(xì)藍(lán)圖。姚將他的藍(lán)圖比喻為連接理論模型與實驗方法的橋梁。

根據(jù)姚的藍(lán)圖，來自美國馬里蘭大學(xué)和哈佛大學(xué)的兩個團(tuán)隊分別獨立制造出了時間晶體。兩個團(tuán)隊采用了不同的方法，卻得到了類似的結(jié)果，這證實了時間晶體確實是一種全新的物態(tài)。

需要指出的是，時間晶體分為連續(xù)時間晶體和離散時間晶體。目前所實現(xiàn)的時間晶體都屬于離散時間晶體。連續(xù)時間晶體很難實現(xiàn)，目前尚有爭議。

瑞秋的時間晶體并不完美，它目前只能持續(xù)50個周期。未來，時間晶體可以用于量子計算機(jī)中，作為一種存儲方式。或許，時間晶體雖然沒有像漫威電影里時間寶石那么科幻，卻能像《三體》中的詩那樣浪漫：她把時間涂滿全身，然后拉起我飛向存在的邊緣。

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