新的时间晶体成就可以帮助弥合经典物理学和量子物理学

2012 年，物理学家 Frank Wilczek 提出了时间晶体的想法。 （图片来源：Chuanchai Pundej/EyeEm 来自 Getty Images）

物理学家创造了一个由两个相互连接的时间晶体组成的系统，它们是一种奇怪的量子系统，它们陷入了一个无限循环，热力学的正常定律并不适用。通过将两个时间晶体连接在一起，物理学家希望利用该技术最终构建一种新型量子计算机。

从水晶到时间水晶

从鸡尾酒中的冰到珠宝中的钻石，我们在日常生活中无时无刻不在遇到普通水晶。虽然晶体很漂亮，但对物理学家来说，它们代表了自然正常对称性的破坏。

物理定律在空间上是对称的。这意味着重力或电磁学或量子力学的基本方程同样适用于整个宇宙体积。他们也可以在任何方向工作。因此，旋转 90 度的实验室实验应该会产生相同的结果（当然，其他一切都相同）。

但在水晶中，这种华丽的对称性被打破了。晶体的分子以优选的方向排列，形成重复的空间结构。用物理学家的行话来说，晶体是“自发对称破缺”的完美例子——物理学的基本定律保持对称，但分子的排列却不是。

2012 年，麻省理工学院的物理学家 Frank Wilczek 注意到物理定律也具有时间对称性。这意味着以后重复的任何实验都应该产生相同的结果。威尔切克对普通晶体做了一个类比，但在时间维度上，将这种突破时间的自发对称性称为时间晶体。几年后，物理学家终于能够建造出一个。

量子秘密

在没有外部鼓励的情况下，时间水晶会不断移动并定期重复。这是可能的，因为时间晶体处于其最低能量状态。量子力学的基本规则防止运动变得完全静止，因此时间晶体仍然“卡在”其永无止境的循环中。

这意味着它们是永动机，因此是不可能的。

热力学定律表明，处于平衡状态的系统趋向于更多的熵或无序——坐在外面的咖啡杯总是会变凉，钟摆最终会停止摆动，而在地上滚动的球最终会停止。但是时间晶体却无视这一点，或者干脆忽略它，因为热力学规则似乎不适用于它。相反，时间晶体受制于量子力学，即支配亚原子粒子动物园的规则。

在量子物理学中，只要我们闭上眼睛，永动机就可以了，而且只有在我们观察运动时它才会开始减速，指的是时间所需要的奇异量子力学状态。晶体一旦与环境相互作用（例如，如果我们观察它们）就无法继续运行。

这意味着物理学家无法直接观察到时间晶体。当他们试图观察一个时，允许他们存在的量子规则就崩溃了，时间水晶就停止了。这个概念超出了观察范围：与外部环境的任何足够强的相互作用都会破坏时间晶体的量子态，这将使其不再是时间晶体。

这就是奥蒂的团队进来的地方，试图通过经典观察找到一种与量子时间晶体相互作用的方法。在最小的尺度上，量子物理学占主导地位。但是虫子、猫、行星和黑洞最好用经典力学的确定性规则来描述。

从量子物理学到经典物理学的连续统仍然知之甚少。一个如何成为另一个是现代物理学的突出谜团之一。时间晶体跨越了两个世界之间界面的一部分。也许我们可以学习如何去除界面通过详细研究时间晶体。

神奇的马农

在这项新研究中，科学团队使用“磁振子”来构建他们的时间水晶。磁振子是“准粒子”，它们以一组原子的集体状态出现。在这种情况下，物理学家团队将氦 3（一种具有两个质子但只有一个中子的氦原子）冷却到绝对零以上的千分之一度以内。在那个温度下，氦 3 转变为玻色-爱因斯坦凝聚态，其中所有原子共享一个共同的量子态并相互协同工作。

在那个凝聚体中，氦 3 中的所有电子自旋连接在一起并一起工作，产生磁能波，即磁振子。这些波浪永远来回晃动，使它们成为时间水晶。

科学团队使用了两组磁振子，每组都作为自己的时间水晶运行，并将它们拉近到足以相互影响。磁振子的组合系统充当具有两种不同状态的单一时间晶体。

科学团队希望他们的实验能够阐明量子与经典物理学之间的关系。他们的目标是构建与环境相互作用的时间晶体，而不会分解量子态，从而允许时间晶体在用于其他用途时继续运行。这并不意味着自由能——与时间晶体相关的运动没有通常意义上的动能，但它可以用于量子计算。

拥有两种状态很重要，因为这是计算的基础。在经典计算机系统中，信息的基本单位是比特，它可以处于 0 或 1 状态，而在量子计算中，每个“量子比特”可以同时处于多个位置，从而可以进行更多计算力量。

这可能意味着时间晶体可以用作在实验室外工作的量子设备的构建块。在这样的冒险中，我们现在创建的两级系统将成为一个基本的构建块。

这项工作目前距离工作中的量子计算机还很远，但它确实开辟了有趣的研究途径。如果科学家们能够在不破坏其量子态的情况下操纵双时间晶体系统，他们就有可能构建更大的时间晶体系统，作为真正的计算设备。