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。在科學家的實驗中，時間晶體在不同時刻是不同的狀態，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，《科學進展》（Science Advances）上刊發了一篇名為《離散時間晶體在57量子比特量子計算機上的實現》（Realization of a discretetime crystal on 57 qubitsof a quantum computer）的文章，說明墨爾本大學的物理學家菲利普·弗雷和斯蒂芬·瑞秋在IBM的量子計算機上設計出了57個量子比特的時間晶體。

其實在2021年7月，谷歌就曾聯合一眾科學家利用自家的懸鈴木量子處理器實現了20個量子比特的時間晶體，并將研究結果發表在《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上又做出了重大突破，設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對復雜系統的模擬能力，讓那些只能存在于物理學家腦海中的理論模型轉化為客觀實體。

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構的四維晶體。我們日常接觸的都是固、液、氣3種基本物質形態，但隨著科學的發展，物質形態的概念也得到了擴展，比如等離子體態、玻色-愛因斯坦凝聚態、超臨界流體等。時間晶體是一種全新的物質形態，也是一種打破時間平移對稱性的非平衡態物相。

時間晶體的概念最早是由諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·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構，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，并且這種狀態的變化具有周期性。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，液態的水是各向同性的，固態的冰是各向異性的，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個晶格常數的距離，才具有相同的空間結構，與之類同，時間晶體也要經過特定的時間長度，才能回到初始狀態。也就是說，如果你在第1、3、5等奇數秒看到的時間晶體是白糖，第2、4、6等偶數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

1918年，德國女數學家艾米·諾特提出了物理學上意義重大的諾特定理，即每一個對稱性都有一個相關的守恒定律，反之亦然。

空間平移對稱性對應動量守恒，空間旋轉對稱性對應角動量守恒，時間平移對稱性對應能量守恒。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。秒針經過60秒之后會回到原來的位置，并一直循環往復。但不同之處在于，鐘表指針的旋轉需要機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。

這看起來似乎是矛盾的。時間晶體可以實現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變自身狀態，也就是處于不斷運動的狀態中。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。

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

關于自發對稱性破缺有一個經典的例子：假設有一頂圓頂禮帽，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，我們就說這個系統具有旋轉對稱性。一旦小球落下，它只會往一個方向落，這就破壞了系統原有的對稱性。這種對稱性的破壞不是由物理規律決定的，而是由小球自身的不穩定性引起的，這就是自發對稱性破缺。

時間晶體的這些性質聽起來有點像永動機，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。

由于時間晶體處于基態時會持續運動，因此可以用來傳遞信息。當物質處于絕對零度（-273.15℃）時，周圍的物質都處

于靜止的基態，而時間晶體能夠以能量更低的基態持續運動。

關于這一點，科學家有個很奇妙的設想：當宇宙不斷熵增，最終達到熱寂狀態時，時間晶體因為處于能量更低的基態，可以依舊維持運動。

時間晶體的實現

時間晶體理論模型的提出是一回事，實現又是另一回事。

時間晶體的概念一經提出，便遭受了很多科學家的質疑，認為它是不可能存在的。2016年，美國加州大學伯克利分校的諾曼·姚設計出了制造時間晶體的詳細藍圖。姚將他的藍圖比喻為連接理論模型與實驗方法的橋梁。

根據姚的藍圖，來自美國馬里蘭大學和哈佛大學的兩個團隊分別獨立制造出了時間晶體。兩個團隊采用了不同的方法，卻得到了類似的結果，這證實了時間晶體確實是一種全新的物態。

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

瑞秋的時間晶體并不完美，它目前只能持續50個周期。未來，時間晶體可以用于量子計算機中，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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