与谷歌合作的研究人员可能刚刚使用这家科技巨头的量子计算机创造了一个全新的物质相——时间晶体。
由于能够在两种状态之间永远循环而不会失去能量，时间晶体可以避开最重要的物理定律之一——热力学第二定律，即孤立系统的无序或熵必须始终增加。这些奇异的时间晶体保持稳定，抵抗任何分解成随机性，尽管存在于恒定的流动状态。
根据 7 月 28 日发表在预印数据库arXiv 上的一篇研究文章，科学家们能够使用谷歌 Sycamore 量子处理器核心内的量子位（传统计算机位的量子计算版本）创建大约 100 秒的时间晶体。
这种奇怪的新物质相的存在，以及它所揭示的全新物理行为领域，令物理学家难以置信地兴奋，尤其是在九年前才首次预测时间晶体存在的情况下。
“这是一个很大的惊喜，”英国伯明翰大学的物理学家 Curt von Keyserlingk 没有参与这项研究，他告诉 Live Science。“如果你问 30 年前、20 年前甚至 10 年前的某个人，他们不会预料到这一点。”
时间晶体对物理学家来说是迷人的物体，因为它们基本上回避了热力学第二定律，这是物理学中最铁的定律之一。它指出熵（系统中无序量的粗略模拟）总是增加。如果你想让一些东西更有秩序，你需要投入更多的精力。
这种无序增长的趋势可以解释很多事情，例如为什么将成分搅拌成混合物比再次将它们分开更容易，或者为什么耳机线在裤子口袋中如此缠结。它还设定了时间之箭，过去的宇宙总是比现在更有序；例如，反向观看视频对您来说可能看起来很奇怪，主要是因为您正在目睹这种熵流的违反直觉的逆转。
时间晶体不遵循此规则。它们不是慢慢接近热平衡——“热化”以便它们的能量或温度均匀分布在周围环境中，而是卡在平衡状态以上的两个能量状态之间，无限期地在它们之间来回循环。
为了解释这种行为有多不寻常，冯·凯瑟林克说，想象一个装满硬币的密封盒子，然后摇晃一百万次。随着硬币相互弹跳和反弹，它们“变得越来越混乱，探索它们可以探索的各种配置”，直到摇晃停止，然后打开盒子，随机露出硬币配置，大约一半的硬币朝上，一半朝下。无论我们首先在盒子中排列硬币的方式如何，我们都可以期望看到这个随机的、半上半下的端点。
在谷歌 Sycamore 的“盒子”内，我们可以像查看硬币一样查看量子处理器的量子位。就像硬币可以是正面或反面一样，量子位可以是 1 或 0——两个状态系统中的两个可能位置——或者两种状态的概率的奇怪组合，称为叠加。von Keyserlingk 说，时间晶体的奇怪之处在于，没有任何震动，或从一种状态到另一种状态的跳跃，都无法将时间晶体的量子位移动到最低能量状态，这是一种随机配置；他们只能将其从初始状态翻转到第二状态，然后再返回。
“这只是人字拖，”冯·凯瑟林克说。“它最终看起来并不是随机的，它只是被卡住了。就像它记得最初的样子，随着时间的推移它会重复这种模式。”
从这个意义上说，时间水晶就像一个永不停止摆动的钟摆。
“即使你将钟摆与宇宙完全隔离，没有摩擦和空气阻力，它最终也会停止。这是因为热力学第二定律，”拉夫堡大学的物理学家 Achilleas Lazarides 说。英国是 2015 年首次发现新阶段理论可能性的科学家之一，他告诉 Live Science。“能量开始集中在钟摆的质心，但所有这些内部自由度——就像原子在棒内振动的方式一样——最终会被转移到。”
事实上，一个大型物体不可能表现得像时间晶体一样，这听起来很荒谬，因为让时间晶体存在的唯一规则是支配着极小世界的幽灵般和超现实的规则——量子力学。
在量子世界中，物体同时表现得既像点粒子又像小波，这些波在任何给定空间区域中的大小代表在该位置找到粒子的概率。但是随机性（例如晶体结构中的随机缺陷或量子位之间相互作用强度的程序化随机性）会导致粒子的概率波在除一个非常小的区域之外的任何地方抵消。固定在原地，无法移动、改变状态或与周围环境热化，粒子变得局部化。
研究人员使用这种定位过程作为他们实验的基础。科学家们将 20 条超导铝带用于他们的量子位，将每条超导铝条编程为两种可能状态中的一种。然后，通过在条带上发射微波束，他们能够驱动他们的量子位翻转状态；研究人员将实验重复了数万次，并在不同的点停下来记录他们的量子位所处的状态。他们发现他们的量子位集合只在两种配置之间来回翻转，而量子位不是从微波束中吸收热量——他们制造了一个时间晶体。
他们还看到了一个关键线索，表明他们的时间晶体是物质的一个阶段。对于要被视为一个阶段的事物，它通常必须在面对波动时非常稳定。如果周围的温度略有不同，固体就不会熔化；轻微的波动也不会导致液体突然蒸发或冻结。以同样的方式，如果用于在状态之间翻转量子位的微波束被调整为接近但略微偏离完美翻转所需的 180 度，量子位仍然翻转到另一个状态。
拉扎里德斯说：“如果你没有完全达到 180 度，你就不会打乱它们。” “它[时间水晶]神奇地总是会稍微倾斜一点，即使你犯了小错误。”
从一个相位移动到另一个相位的另一个标志是物理对称性的破坏，即物理定律在任何时间或空间点对于物体都是相同的。作为液体，水中的分子在空间中的每个点和每个方向都遵循相同的物理定律，但将水冷却到足够低，使其转变为冰，其分子将沿着晶体结构（或晶格）选择规则点以自己安排。突然间，水分子优先占据空间中的点，而让其他点空着——水的空间对称性自发地被打破了。
就像冰在空间中因空间对称性破裂而成为晶体一样，时间晶体因时间对称性破裂而成为时间晶体。起初，在它们转变为时间晶体相之前，一排量子比特将在所有时刻之间经历连续对称。但是微波束的周期性循环将量子位经历的恒定条件切割成离散的数据包（使光束施加的对称性成为离散的时间平移对称性）。然后，通过以光束波长的两倍周期来回翻转，量子位打破了激光施加的离散时间平移对称性。它们是我们所知道的第一个能够做到这一点的对象。
所有这些奇怪的东西都让时间晶体充满了新的物理学，而 Sycamore 为研究人员提供的超出其他实验设置的控制可以使其成为进一步研究的理想平台。然而，这并不是说它不能改进。与所有量子系统一样，谷歌的量子计算机需要与其环境完全隔离，以防止其量子位经历称为退相干的过程，这最终会破坏量子局域化效应，破坏时间晶体。研究人员正在研究如何更好地隔离他们的处理器并减轻退相干的影响，但他们不太可能永远消除这种影响。
尽管如此，在可预见的未来，谷歌的实验可能仍然是研究时间晶体的最佳方式。尽管许多其他项目已经成功地以其他方式制造出令人信服的时间晶体——使用钻石、氦 3 超流体、称为磁振子的准粒子和玻色-爱因斯坦凝聚——但在大多数情况下，这些设置中产生的晶体消散得太快进行详细研究。
晶体的理论新颖性在某些方面是一把双刃剑，因为物理学家目前正在努力为它们找到明确的应用，尽管 von Keyserlingk 建议它们可以用作高精度传感器。其他提议包括将晶体用于更好的内存存储或开发具有更快处理能力的量子计算机。
但在另一种意义上，时间晶体的最大应用可能已经在这里：它们使科学家能够探索量子力学的边界。
“它让你不仅可以研究自然界中出现的东西，还可以实际设计它，看看量子力学让你做什么，不让你做什么，”拉扎里德斯说。“如果你在自然界中找不到某些东西，那么并不意味着它不存在——我们只是创造了其中的一种。”
