曾幾何時，人們認為在物理學上不可能存在“時間晶體”這種奇異物質(zhì)形態(tài)，但是現(xiàn)在人們已經(jīng)創(chuàng)造出了這種晶體。
用光撥弄原子是Christopher Monroe的終身事業(yè)。他把原子排列成環(huán)、鏈，然后用激光處理，以探索原子的特性，制造基本的量子計算機。去年，他決定嘗試一項看似不可能的任務：創(chuàng)造時間晶體。
時間晶體聽起來很像科幻電視劇《神秘博士》中的道具，但它植根于現(xiàn)實的物理學。它是一種假設的結(jié)構(gòu)，不需要任何能量就能保持振動，就像永遠不需要上發(fā)條的時鐘一樣。
普通晶體中的原子在空間上重復，時間晶體則在時間上呈周期性重復。這一概念極具挑戰(zhàn)性，因此，當諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek在2012年提出這個大膽的概念時，其他研究者很快證明了時間晶體是不可能被制造出來的。
但證明存在漏洞；另一個物理學分支中的研究者找到了利用這些漏洞的方法。Monroe是馬里蘭大學的一位物理學家，他的團隊利用他們原本為其它目的構(gòu)建出的原子鏈，創(chuàng)造了一種時間晶體（見圖“如何制造時間晶體”）。“可以說，我們是誤打誤撞發(fā)現(xiàn)它的，”Monroe說。
Nik Spencer/Nature
另一組來自哈佛大學的研究者利用“臟”鉆石（譯注：指含大量氮原子雜質(zhì)的鉆石）也獨立制造出了時間晶體。這兩種版本都被視為時間晶體，發(fā)表在了3月份的《自然》雜志上，但與Wilczek原先構(gòu)想的不同。兩篇論文的作者，加州大學伯克利分校的物理學家Norman Yao表示：“（創(chuàng)造出的時間晶體）雖然不像人們一開始設想得那樣奇異，但還是十分怪異。
它們也是一類令人驚嘆的物質(zhì)形態(tài)的首批樣本：時刻處在變化中、永遠不會達到穩(wěn)態(tài)的量子粒子集合。這些系統(tǒng)從隨機的相互作用中獲得穩(wěn)定性，而其他類型的物質(zhì)則會被隨機的相互作用所擾亂。
“這是一種新的序，過去被認為是不可能的。這一結(jié)果非常令人振奮，”哈佛大學團隊的成員Vedika Khemani說。她也曾是最初推論出這種新型物質(zhì)形態(tài)存在的團隊的成員。實驗物理學家已經(jīng)在計劃如何在量子計算機和超敏磁傳感器等設備中利用這種奇異系統(tǒng)的性質(zhì)了。
在Wilczek的設想中，時間晶體是一種打破規(guī)則的方式。物理學定律的對稱性體現(xiàn)在它們同樣適用于時間和空間上所有的點。然而，許多系統(tǒng)都違反了這種對稱性。在磁鐵中，原子自旋會有序排列起來，而不是指向各個方向。
在礦物晶體中，原子占據(jù)了空間中的固定位置，若稍有偏移，晶體看起來就是截然不同的了。物理學家將這種等價變換導致屬性變化的現(xiàn)象稱為對稱性破缺。在自然界，對稱性破缺無處不在——磁性、超導性，甚至還有賦予所有粒子質(zhì)量的希格斯機制皆根源于此。
2012年，現(xiàn)任教于瑞典斯德哥爾摩大學的Wilczek開始好奇為什么對稱性不會在時間上自發(fā)破缺，以及能否創(chuàng)造出在時間上自發(fā)破缺的物質(zhì)。他將這種物質(zhì)稱為時間晶體。
實驗物理學家構(gòu)想出了這種物質(zhì)的量子版本：它可能是一個無休止地旋轉(zhuǎn)、循環(huán)，然后返回初始格局的原子環(huán)。其屬性永遠隨著時間同步變化，就像晶體中原子的位置隨空間變化一樣。該系統(tǒng)處于最低能態(tài)，但其運動卻不需要外力。在實質(zhì)上，時間晶體是一種永動機，不過它不能產(chǎn)生可用的能量。
Illustration by Peter Crowther
“乍一看，人們會覺得這個想法一定是錯的，”Yao說。從定義來說，處在最低能態(tài)的系統(tǒng)不會隨時間變化。Yao說，如果出現(xiàn)了變化，就意味著系統(tǒng)還有額外的能量可以失去，旋轉(zhuǎn)也會很快停止?！暗獸rank說服了科研界，使大家相信這個問題比看上去更加微妙，”他說。在量子世界，永動并非沒有先例：理論上說，超導體就能永遠導電（但電流是均勻的，因此在時間上沒有變化）。
渡邊悠樹（Haruki Watanabe）在加州大學伯克利分校完成了博士學位。從走出第一場博士學位口試起，他就開始思考這些互相矛盾的問題了。在考試中，他展示了自己有關空間對稱性破缺的研究結(jié)果；導師問他Wilczek提出的時間晶體有何深遠意義。
渡邊悠樹說：“在考場上，我沒有回答出來，但這個問題激起了我的興趣?！碑敃r，他對這種物質(zhì)存在的可能性非常懷疑?！拔以谙耄以撊绾握f服人們這是不可能的呢？’”
于是，渡邊悠樹與東京大學的物理學家押川正毅（Masaki Oshikawa）一起，開始嘗試以嚴謹?shù)臄?shù)學方式證明自己直覺得出的答案。通過將問題（時間晶體為何是不可能的）表述為一個系統(tǒng)中相距遙遠的部分在空間和時間上的關系，他們在2015年推導出了一個定理，表明時間晶體不可能在任何處在其最低能態(tài)的系統(tǒng)中創(chuàng)造出來。研究者還證實，對任何平衡系統(tǒng)（也就是各種能量都已達穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)）來說，創(chuàng)造出時間晶體都是不可能的。
在物理學界看來，這個問題的答案相當明確?！皶r間晶體似乎是完全不可能實現(xiàn)的，”Monroe說。但他們的證明留下了一個漏洞。他們并沒有排除時間晶體在還沒有達到穩(wěn)態(tài)的非平衡系統(tǒng)中存在的可能性。全球各地的理論物理學家開始思考如何創(chuàng)造出其它版本的時間晶體。
而突破還是出現(xiàn)了，而且來自一個誰也沒想到的物理學領域。這個領域的研究者當時完全沒有在考慮時間晶體這個問題。
Shivaji Sondhi是普林斯頓大學的理論物理學家，他和同事正在觀察當一些由各種相互作用的粒子組成的孤立量子系統(tǒng)反復受力時會發(fā)生什么。物理學教科書說，這樣的系統(tǒng)的溫度將會升高，然后陷入混沌之中。但在2015年，Sondhi的團隊預測，在某些條件下，它們反而會結(jié)合在一起，形成一個在平衡態(tài)中不存在的物質(zhì)相：一個表現(xiàn)出了人們前所未見的微妙相關性的粒子系統(tǒng)，其模式還會在時間上重復。
這種說法吸引了Chetan Nayak的注意，他曾經(jīng)是Wilczek的學生，現(xiàn)在在加州大學圣塔芭芭拉分校和微軟Station Q實驗室任職。Nayak和他的同事很快意識到，這種奇異的非平衡物質(zhì)態(tài)也是一種時間晶體。但它并不是Wilczek設想的那種：它并不處在最低的能量態(tài)，而且需要周期性施加外力才能振動。不過，它也會獲得與外力不一致的穩(wěn)定節(jié)律，這意味著它能打破時間對稱性。
“這就好像是在跳繩時甩了兩下繩，但繩子只轉(zhuǎn)了一圈，”Yao說。這種對稱性破缺比Wilczek設想的更弱：在他的設想中，繩子應該會自己轉(zhuǎn)動。
剛聽說這一切時，Monroe并沒有理解?！拔伊私獾迷蕉啵驮綄λa(chǎn)生興趣，”他說。
綠光照出了一個在鉆石缺陷內(nèi)的電子自旋網(wǎng)絡（紅色）中形成的時間晶體。
Georg Kucsko
去年，他開始嘗試用原子構(gòu)建時間晶體。方法極為復雜，但只需要三種基本材料：反復干擾粒子的外力；讓原子彼此相互作用的方法；以及隨機無序元素。Monroe說，將這三者結(jié)合起來，就能保證粒子吸收的能量受到限制，從而保持穩(wěn)定、有序的狀態(tài)。
在他的實驗中，這意味著反復向一條由十個鐿離子組成的離子鏈交替發(fā)射激光：第一次照射翻轉(zhuǎn)其自旋，第二次照射則讓自旋以隨機方式相互作用。這種激光組合能讓原子自旋振蕩起來，但周期是自旋翻轉(zhuǎn)的兩倍。
此外，研究者還發(fā)現(xiàn)，即便他們用不完美的方式翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)（比如稍稍改變施加外力的頻率），振蕩仍然保持不變。Monroe說：“系統(tǒng)仍然處于非常穩(wěn)定的頻率上?！彼f，空間晶體對試圖改變其原子間固定間距的嘗試也有類似的“抵抗力”，“時間晶體展示了同樣的性質(zhì)?！?/p>
在哈佛大學，物理學家Mikhail Lukin試圖實現(xiàn)類似的目標，但使用了截然不同的系統(tǒng)：3D鉆石塊。這塊鉆石上密布著約一百萬個缺陷，每個缺陷都包含著自旋。鉆石的不純凈性也提供了天然的無序性。Lukin和他的團隊使用了微波脈沖來翻轉(zhuǎn)自旋，他們發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)只在極少數(shù)時間會對干擾做出反應。
物理學家認為，這兩種系統(tǒng)自發(fā)打破了某種時間對稱性，從而在數(shù)學上滿足了時間晶體的標準。但對于是否應該將它們稱為時間晶體，物理學家們也有爭議?！斑M展喜人，但在一定程度上，將它們稱為時間晶體是在濫用這一術語，”押川正毅說。
Yao表示，這些新系統(tǒng)的確是時間晶體，但時間晶體的定義需要縮小，以避免將人們已經(jīng)充分理解、且對量子物理學家來說并不那么有趣的現(xiàn)象包括其中。
但Monroe和Lukin的成果也非常激動人心，只不過原因不同。他們的時間晶體似乎是一系列新相態(tài)的首批示例，或許也是最簡單的示例，這些相態(tài)存在于人們探索相對不多的非平衡態(tài)中。
這些晶體也許能用于一些實際應用中。其中一種晶體能在高溫下作為量子模擬系統(tǒng)工作。物理學家經(jīng)常在納開氏度（接近絕對零度）下使用糾纏量子粒子來模擬在經(jīng)典計算機上無法建模的材料的復雜行為。
時間晶體代表著一種存在于遠高于上述溫度下的穩(wěn)定的量子系統(tǒng)——Lukin的鉆石方法達到了室溫，有望打開不需低溫的量子模擬的大門。
Lukin說，時間晶體可能也可用于超精密傳感器。他的實驗室已經(jīng)在使用鉆石缺陷來檢測溫度和磁場的微小變化了。但這種方法也有局限性，因為如果過多的缺陷包含在了較小的空間里，它們的相互作用就會破壞其脆弱的量子態(tài)。
但在時間晶體中，這些相互作用起到了穩(wěn)定作用，而非破壞作用，Lukin因此得以利用數(shù)百萬個缺陷來產(chǎn)生強大的信號——足以有效探測活細胞和原子厚度的材料。
Yao說，相互作用的穩(wěn)定原理或可以更加廣泛地應用于量子計算中。量子計算機極具潛力，但也存在挑戰(zhàn)——長期以來，人們一直在試圖保護執(zhí)行計算的脆弱量子位，同時保證它們可用于編碼和讀出信息?！澳芊裾业较嗷プ饔媚芊€(wěn)定這些量子位的相態(tài)是一個我們很想知道的問題，”Yao說。
馬克斯·普朗克復雜系統(tǒng)物理學研究所主任Roderich Moessner表示，創(chuàng)造時間晶體的故事是一個很好的例子，說明進步往往發(fā)生在不同想法相互融合時?；蛟S，他說，這種特殊的方法只是制備時間晶體的眾多方法之一。?
原文發(fā)布時間為：2017-12-26
本文作者：陶卿
本文來源：量子趣談，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。
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