據(jù)今年7月28日發(fā)表在預(yù)印數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv上的一篇論文介紹，科學(xué)家利用量子比特（即傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特的量子計(jì)算機(jī)版本），在谷歌Sycamore量子處理器核心中創(chuàng)造出了時(shí)間晶體，存續(xù)時(shí)間約為100秒。
這種奇特的新物態(tài)、以及它所展現(xiàn)的物理行為，令科學(xué)家感到激動(dòng)不已，更何況僅僅九年前、人們才剛剛預(yù)言了時(shí)間晶體的存在。
在物理學(xué)家看來(lái)，時(shí)間晶體是一種非常神奇的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈儾皇軣崃W(xué)第二定律的約束，而這可是物理學(xué)最牢不可破的定律之一。該定律指出，熵永遠(yuǎn)處于遞增狀態(tài)。要想提高有序性，就必須增加能量才行。
這種始終朝無(wú)序發(fā)展的傾向可以解釋很多現(xiàn)象，例如為何將配料混合在一起很容易、但將混合物分開(kāi)就很困難，或者口袋里的耳機(jī)線為何總是繞成一團(tuán)。該定律也決定了時(shí)間箭頭的方向：過(guò)去的宇宙永遠(yuǎn)比目前的宇宙更加有序。例如，如果將電影倒放，看起來(lái)就很詭異，因?yàn)檫@種熵的流動(dòng)方向是與你的直覺(jué)相違背的。
但時(shí)間晶體并不遵循這一定律。它并不會(huì)逐漸達(dá)到熱平衡狀態(tài)（即能量或溫度在其周圍均勻分布），而是會(huì)卡在兩種處于熱平衡之上的能態(tài)之間，并且在這兩種狀態(tài)之間無(wú)限來(lái)回切換。
為了解釋這種現(xiàn)象有多么異乎尋常，我們來(lái)舉一個(gè)例子：假設(shè)有一個(gè)密閉的盒子，里面裝滿了硬幣，然后被搖晃一百萬(wàn)次。隨著這些硬幣在盒子里來(lái)回彈跳，它們會(huì)“變得越來(lái)越混亂，把所有可能的排列方式都經(jīng)歷一遍”，直到晃動(dòng)停止。打開(kāi)盒子后，里面的硬幣全部以隨機(jī)方式排列，大約一半朝上、一半朝下。無(wú)論盒子里的硬幣最初是如何擺放的，我們都可以預(yù)見(jiàn)到，最終它們都會(huì)呈現(xiàn)為這種無(wú)序的、一半朝上一半朝下的狀態(tài)。
在谷歌Sycamore量子處理器這個(gè)“盒子”中，我們可以將量子比特視為剛才所說(shuō)的硬幣。就像硬幣可能正面朝上或反面朝上一樣，量子比特也可能為0或1、或者這兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。時(shí)間晶體的奇異之處在于，無(wú)論“搖晃”多少次、或者在兩種狀態(tài)之間切換多少次，時(shí)間晶體的量子比特都無(wú)法轉(zhuǎn)化為最低能態(tài)（相當(dāng)于硬幣的隨機(jī)排列），它們只能從開(kāi)始狀態(tài)跳躍到第二種狀態(tài)、然后再跳回來(lái)。
時(shí)間晶體最終不會(huì)呈現(xiàn)為隨機(jī)形態(tài)，而是會(huì)困在兩種狀態(tài)之間。就好像它記得自己最開(kāi)始的狀態(tài)、然后不斷重復(fù)這一規(guī)律一樣。從這一角度來(lái)說(shuō)，時(shí)間晶體就如同一個(gè)永不停止搖擺的擺錘。
“就算你將一個(gè)擺錘從物理上與整個(gè)宇宙完全隔絕開(kāi)來(lái)，摩擦力和空氣阻力均為零，它最終仍然會(huì)停止擺動(dòng)，這就是熱力學(xué)第二定律的結(jié)果。”英國(guó)拉夫堡大學(xué)物理學(xué)家阿西里斯·拉扎萊德斯指出，他是2015年最早發(fā)現(xiàn)這種新物態(tài)存在的可能性的科學(xué)家之一，“能量剛開(kāi)始時(shí)集中于擺錘的質(zhì)量中心，但最終總會(huì)轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的內(nèi)部自由度，例如擺桿內(nèi)部原子的振動(dòng)。”
事實(shí)上，大尺度物體永遠(yuǎn)不可能像時(shí)間晶體一樣，因?yàn)槲ㄓ形⒂^世界的主宰定律——量子力學(xué)，才能讓時(shí)間晶體得以存在。
在量子世界中，物體同時(shí)具有粒子和波的雙重特性，在空間中給定區(qū)域內(nèi)的波幅代表了在該位置找到一個(gè)粒子的概率。但隨機(jī)性（如晶體結(jié)構(gòu)中的隨機(jī)缺陷、或者量子比特之間相互作用強(qiáng)度的隨機(jī)性）可能導(dǎo)致粒子的概率波在除了一塊極小區(qū)域之外的空間內(nèi)全部相互抵消。這樣一來(lái)，粒子的位置就被固定住了，既無(wú)法移動(dòng)、也無(wú)法改變狀態(tài)、或與周邊環(huán)境達(dá)到熱平衡，即粒子被定域化了。
研究人員將粒子的定域過(guò)程作為自己的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。他們使用了20條超導(dǎo)鋁、作為量子比特，然后將每一條設(shè)置為兩種可能狀態(tài)的其中一種。接下來(lái)，他們用微波束轟炸這些超導(dǎo)鋁條，讓量子比特切換成另一種狀態(tài)。研究人員將這一過(guò)程重復(fù)了數(shù)萬(wàn)次，并在不同的時(shí)間點(diǎn)暫停實(shí)驗(yàn)，將量子比特當(dāng)時(shí)所處的狀態(tài)記錄下來(lái)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有量子比特作為一個(gè)整體、一直在兩種配置之間來(lái)回切換，并且沒(méi)有從微波束中吸收任何熱量——時(shí)間晶體就這樣誕生了。
他們還觀察到了一條關(guān)鍵線索，證明時(shí)間晶體是一種物態(tài)。在周邊環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，物態(tài)一般都非常穩(wěn)定。例如，如果周邊溫度只是稍有改變，固體并不會(huì)就此融化，液體也不會(huì)突然蒸發(fā)或結(jié)冰。同理，如果用來(lái)改變量子比特狀態(tài)的微波束稍有變化，離180°的“完美翻轉(zhuǎn)”差了一點(diǎn)點(diǎn)，量子比特依然會(huì)切換為另一種狀態(tài)。
“并不是說(shuō)，如果沒(méi)有剛好達(dá)到180°，一切就全毀了。”拉扎萊德斯指出，“即使犯點(diǎn)小錯(cuò)誤，時(shí)間晶體依然能神奇地翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。”
打破物理的對(duì)稱性是物態(tài)轉(zhuǎn)變的另一標(biāo)志。物理對(duì)稱性是指，物理學(xué)定律對(duì)于處在任意時(shí)間點(diǎn)或空間點(diǎn)的同一物體都是相同的。例如，當(dāng)水為液態(tài)時(shí)，水分子在每個(gè)空間位置上和每個(gè)方向上的流動(dòng)都遵循相同的物理法則。但如果給水降溫、使其轉(zhuǎn)化為冰，分子就會(huì)組成晶體結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)分子在結(jié)構(gòu)中都有自己特定的位置。在這種情況下，每個(gè)水分子在空間中除了自己選定的位置被占用之外、其它可能的位置全都空了出來(lái)，水的空間對(duì)稱性也就被打破了。
就像水分子通過(guò)打破空間對(duì)稱性、變?yōu)榭臻g晶體一樣，時(shí)間晶體也通過(guò)打破時(shí)間對(duì)稱性形成。在它們轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間晶體狀態(tài)之前，每一排量子比特在時(shí)間上始終是對(duì)稱的。但微波束的周期將這些量子比特的恒定狀態(tài)切分成了若干離散的片段（使激光施加的對(duì)稱性變成了離散的時(shí)間平移對(duì)稱性）。接下來(lái)，量子比特以微波束周期的兩倍來(lái)回切換，結(jié)果成功打破了由激光施加的離散時(shí)間平移對(duì)稱性，成為了我們所知的首個(gè)能夠做到這一點(diǎn)的物質(zhì)。
這些奇異之處意味著，圍繞時(shí)間晶體或許能產(chǎn)生許多物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)，谷歌Sycamore量子處理器也將成為進(jìn)一步探索的理想平臺(tái)。不過(guò)，它依然有改進(jìn)的空間。就像所有量子系統(tǒng)一樣，谷歌的量子計(jì)算機(jī)也必須與環(huán)境完全隔絕開(kāi)來(lái)，防止量子比特發(fā)生“退相干”，這最終會(huì)瓦解量子定域化效應(yīng)、摧毀時(shí)間晶體。研究人員還在尋找更好的處理器隔絕方法，盡量緩解量子退相干的影響，但終究無(wú)法將其徹底消除。
盡管如此，此次實(shí)驗(yàn)可能依然是短期內(nèi)研究時(shí)間晶體的最佳途徑。雖然不少項(xiàng)目已經(jīng)成功造出了看似時(shí)間晶體的物質(zhì)（利用鉆石、氦-3超流體、一種名叫“磁子”的準(zhǔn)粒子、以及玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體），但這些晶體的分解速度太快，來(lái)不及開(kāi)展詳細(xì)研究。
這些晶體在理論上過(guò)于新穎，可謂有好有壞，因?yàn)槲锢韺W(xué)家目前還不清楚它們有何用武之地。不過(guò)馮·凱瑟林克提出，它們可以被用在高精度傳感器中。還有人提出，這些晶體可用于提高內(nèi)存、或用于制造處理速度更快的量子計(jì)算機(jī)。
不過(guò)，時(shí)間晶體最大的用處或許已經(jīng)體現(xiàn)出來(lái)了：讓科學(xué)家得以進(jìn)一步探索量子力學(xué)的邊界。
“它讓你不僅能夠研究自然界中存在的物體，還能讓你親自設(shè)計(jì)它，考察量子力學(xué)讓你做什么、不讓你做什么，”拉扎萊德斯指出，“如果你在自然界中找不到某樣?xùn)|西，并不意味著它無(wú)法存在——我們只需要自己創(chuàng)造一個(gè)出來(lái)就行了。”
