作者｜REN 多加

時間晶體即將誕生？

當地時間 7 月 28 日，谷歌在一篇預印本論文中表示，其首次使用 “懸鈴木” （Sycamore）量子計算機創造出了 “真正的時間晶體”。

參與該研究的科學家超過 80 人，分別來自斯坦福大學、普林斯頓大學、MIT 和德國德累斯頓馬普固體化學物理學研究所（德累斯頓）等科研院所，論文標題為《在量子處理器上觀測時間晶體的本徵態序》（Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor ）。

論文作者之一的德累斯頓研究所物理學家羅德里希・莫斯納（ Roderich Moessner）告訴媒體：“這一結果是驚人的，我們逃避了熱力學第二定律。”

此前，許多學者都在嘗試模擬和製造時間晶體，但始終未能如願。在谷歌量子計算機 “懸鈴木”的幫助下，該團隊實現了之前從未完成的實驗，即模擬那些人類可以想象、但自然界可能永遠不會存在的東西。

北京理工大學物理學院教授尹璋琦分析稱，在 2017 年科學家已經觀察到這類離散時間晶體。一般來說，給一個系統做週期性驅動，系統很快就會熱化，它的運動也變得雜亂無章。

而離散時間晶體會長時間穩定，它並不會吸熱，整個系統在外界驅動下不斷地翻轉，步調保持一致，不會變得雜亂無章。不僅如此，離散時間晶體還破缺了時間對稱性，比如說外加驅動週期為 T 時，離散時間晶體翻轉的週期為 NT，這裡 N 是一個大於 1 的數。

以往的實驗對於系統初態要求很苛刻，必須初始化到某個初態才能展現出離散時間晶體的特性。此次實驗實現的離散時間晶體很穩定，更一般的本徵態也可出現時間晶體。也就是說，本次成果展示了一個非平衡的、可長時間存在，且破缺了離散時間平移對稱性的離散時間晶體。

目前還不清楚離散時間晶體是否有實際用途，但其穩定性和可預測性或許會成為突破口。

當它處於週期運動狀態時，如果對其進行規律性觀察，就會得到時間晶體的確定狀態，這或可幫助量子計算機進行資訊儲存。還有一些科學家認為，時間晶體或將揭示時間本質的深刻含義。

巨頭谷歌和物理學家的 “天作之合”

此次谷歌和科研院所的合作，可謂 “門當戶對”。當時，前文所述的物理學家組成的時間晶體團隊，找到了谷歌量子計算團隊。

莫斯納表示，2019 年他看到谷歌宣佈 “懸鈴木” 量子計算機成果時，就意識到 “懸鈴木” 可能 “正是他的菜”。

巧的是，當時谷歌也在尋找能測試機器效能的任務，谷歌理論物理學家科斯佳・克切吉（Kostya Kechedzhi）表示，他們的工作是嘗試將這臺機器用作研究新物理、或新化學的科學工具。

但是，作為該公司第一臺量子計算機成品，“懸鈴木” 的運算錯誤率太高，難以執行專為成熟量子計算機設計的密碼演算法和搜尋演算法。因此，這支由世界頂尖物理學家組成的時間晶體團隊、與谷歌一拍即合。

量子計算機的主要優勢在於，它能調整量子位元之間的相互作用強度，而它本身也由量子位元組成。

據悉，谷歌的量子位元由超導鋁條組成，每個超導鋁條都有兩種可能的能量狀態，因此可透過程式設計來表示粒子向上或向下的自旋，每個粒子都能同時保持兩種可能狀態，並被標記為 0 和 1。

而這種可調性，恰好是實現離散時間晶體的關鍵。研究中，該團隊使用一個帶有 20 個量子位元的晶片作為時間晶體，透過為每個初始配置執行數萬次測試，並在執行不同時間間隔後、去測量量子位元的狀態，藉此可觀察到在兩個多體局域化狀態間，自旋系統正在進行來回轉換。

冰作為一種空間晶體，它的物質狀態特點是極其穩定，只要不超過 0 攝氏度，即使出現溫度大幅波動，冰仍然可以保持固態。類似的，研究人員發現微波脈衝只要在小於 180 度的範圍內翻轉自旋方向，自旋就能在兩個脈衝後重返初始方向，就像小船在睡眠上回左搖右擺，只要船不翻，就能恢復姿勢。

尹璋琦告訴 DeepTech，該成果屬於基礎研究，和老百姓的生活沒有太大關係。其本質在於不光是驗證一個基礎問題，也在於測試量子計算機的效能。

據瞭解，谷歌為了做本次實驗，特意提升了量子計算機的效能比如量子邏輯閘的保真度等。透過一系列的標定和驗證，最終有望讓量子計算逐漸走向實用。

尹璋琦說自己一年前就看到了谷歌的理論方案，國內也有團隊在做相關的實驗研究。他還表示，國內的騰訊公司在超導量子計算實驗上，已經發表過兩篇論文，阿里巴巴、華為和百度等公司也有量子計算研究的相關團隊。

時間晶體的 “前世今生”

時間晶體聽起來很玄幻，但它既不是電影《復聯》中的時間寶石，也沒有穿越時空的力量，它是物理學家多年來正在努力創造的新物質狀態，並且是一種不會自然存在的狀態。

尹璋琦告訴 DeepTech：“時間晶體於 2012 年由諾獎得主、美國猶太裔理論物理學家弗朗克・韋爾切克（Frank Wilczek）提出。

和時間晶體對應的是空間晶體，鹽、水晶和鑽石等都是空間晶體，它們的表現在於一個原子在空間中週期性地排列，形成了空間上的結構。

韋爾切克認為，既然在空間中有結構，那麼在時間中是否有結構？如果有的話，那麼在時間中應該也能形成晶體，藉此他提出了時間晶體的概念。”

韋爾切克曾表示，這個想法是他在教授普通空間晶體課程時冒出來的，他說：“如果你從太空的角度思考晶體的構成，自然而然地就會想到時間是不是會影響晶體行為。”

但尹璋琦也表示，時間晶體也引起了較大爭議，受限於理論原因，韋爾切克的最初設想很難做到。

後來，人們把時間晶體的概念做了推廣，即由無外加驅動且處於平衡態的時間晶體，推廣到週期性驅動下處於非平衡態的離散時間晶體。所謂離散時間晶體，指的是它能自發地破缺系統離散的時間平移對稱性。

說到這裡尹璋琦打了個比方，處於離散時間晶體態的 “鼓”，敲它兩下（或者更多）才會響一聲，也就是說鼓的響應少於外界對它的驅動。假如驅動週期是一秒鐘，而鼓震動的週期是兩秒鐘，也就是鼓不按照外界的驅動來走，這就等於鼓的時間平移性被破缺了。

簡單來說，時間晶體一旦處於啟用狀態，不需要能量輸入就可以不斷地、有規律地 “左右橫跳”。因為其運動具有周期性，所以在一個特定時間點觀察時間晶體，就一定會得到期望看到的樣子。

不同團隊的殊途同歸？

一直以來，關於時間晶體的研究，都有幾條路線，其中有兩條路線比較知名。

第一條路線發生在 2015 年，也是本次谷歌團隊聯合開發的路線。該團隊發現，在特定方式下如果用鐳射刺激上述系統，粒子就會來回反覆翻轉，在兩個截然相反的多體局域化狀態之間，粒子會進行永遠的重複迴圈，並且不會從鐳射中吸收任何淨能量。

當時他們並未把該成果與 “時間晶體” 聯絡起來，只是發表了論文，並用 “第一個多體、非平衡的相” 闡述了這種新型物質狀態，後來在一名審稿人的提醒下，他們才將該成果與 “時間晶體” 聯絡起來。

第二條路線指的是，韋爾切克此前的學生、現為加州大學聖塔芭芭拉分校理論物理學家的切坦・納亞克（Chetan Nayak），與馬里蘭大學的物理學家克里斯・門羅（Chris Monroe）聯合使用電磁場來捕獲和控制離子。2017 年，該團隊的相關論文發表在Nature上。

尹璋琦評價稱，2017 的實驗只有十個量子位元，且只能在特定初態下看到離散時間晶體，系統穩定性不足。而本次的谷歌實驗是三年前的後繼，其更加符合理論構想和設計，即在更大的系統和更一般的初態中做出了時間晶體，也做出了一些非平衡的相變。

牛津大學凝聚態物理學家約翰・查爾克（John Chalker）持有相同觀點，他告訴媒體：“有充分的理由認為，此前的實驗都沒有完全成功，量子計算機將特別適合此類工作，比那些早期實驗做得更好。”

就在 2021 年 6 月，納亞克團隊在Science上發論文稱，他們用被捕獲的離子實現了與時間晶體很相似的狀態，其在兩種狀態之間轉換的週期性變化，和真正的時間晶體非常相似。

這種狀態不是永恆的，如果實驗執行的足夠長，系統就會趨於平衡，迴圈也會被破壞。納亞克評價自己的成果稱：“有了時間晶體，時間似乎突然與其他三個維度站在一起了。”

但也有人不同意這種說法，認為 “目前的時間晶體仍不能完美地統一時間和空間”。不過，在探索量子計算機的可能性的推動下，未來將出現更多討論。凝聚態物理學的研究重點，也可能會從研究大自然賦予我們的東西，轉變為想象量子力學允許的奇特物質形式。