物理学家在看似不可能的实验中将两块时间晶体联系起来

　　物理学家创造了一个由两个相连的时间晶体组成的系统，这是一个奇怪的量子系统，被困在一个普通热力学定律不适用的无限循环中。通过将两块时间晶体连接在一起，物理学家希望利用这项技术最终建造一种新型的量子计算机。

　　“探索物质的全新阶段是一种罕见的特权。”英国兰卡斯特大学该项目的首席科学家Samuli Autti在一封电子邮件中告诉《生活科学》。

　　从水晶到时间水晶

　　从鸡尾酒里的冰块到珠宝里的钻石，我们在日常生活中无时无刻不在遇到普通的水晶。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。

　　物理定律在空间中是对称的。这意味着引力或电磁或量子力学的基本方程同样适用于整个宇宙。他们也在任何方向工作。因此，实验室实验旋转90度应该会产生相同的结果(当然，其他条件都相同)。

　　但是在水晶中，这种华丽的对称被打破了。一个晶体的分子按照自己喜欢的方向排列，创造了一个重复的空间结构。用物理学家的行话来说，晶体是“自发对称性破缺”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弗兰克·维尔泽克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会产生同样的结果。威尔切克打了一个正常晶体的比方，但在时间维度上，将这种突破时间的自发对称性戏称为时间晶体。几年后，物理学家终于能够建造一个了。

　　量子秘密

　　Autti说：“在没有外部鼓励的情况下，时间晶体不断移动，并在时间上周期性地重复自己。”这是可能的，因为时间晶体处于最低能量状态。量子力学的基本规则阻止运动变得完全静止，因此时间晶体仍然“停留”在它永无止境的循环中。

　　“这意味着它们是永动机，因此是不可能的，”Autti说。

　　热力学定律表明，处于平衡状态的系统倾向于更多的熵，或无序——放在外面的咖啡杯总是会冷却，钟摆最终会停止摆动，在地上滚动的球最终会停下来。但是时间晶体无视这一点，或者干脆忽略它，因为热力学的规则似乎并不适用于它。相反，时间晶体受制于量子力学，即管理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，永动机就没问题，只有在我们观察到运动的情况下，它才必须开始减速，”Autti说，他指的是时间晶体所需的奇异量子力学状态一旦与它们的环境相互作用(例如，如果我们观察到它们)，就无法保持运行。

　　这暗示着物理学家无法直接观察时间晶体。当他们试图观察一个的时候，允许他们存在的量子规则就被打破了，时间晶体就停止了。这个概念超越了观察：任何与外部环境足够强的相互作用，打破了时间晶体的量子状态，将使它不再是时间晶体。

　　这就是Autti的团队的切入点，他们试图通过经典观测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、行星和黑洞更适合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。一个如何变成另一个是现代物理学的未解之谜之一。时间水晶跨越了两个世界之间的部分界面。也许我们可以通过详细研究时间晶体来了解如何移除界面，”Autti说。

　　在新的研究中，Autti和他的团队使用“磁振子”来构建他们的时间晶体。磁振子是“准粒子”，出现在一组原子的集体状态中。在这种情况下，物理学家团队将氦-3——一种有两个质子但只有一个中子的氦原子——冷却到绝对零度以上万分之一度以内。在这个温度下，氦-3转变成玻色-爱因斯坦凝聚体，其中所有的原子共享一个共同的量子态，并彼此协同工作。

　　在冷凝物中，氦-3中所有电子的自旋连接在一起，共同作用，产生磁能波，即磁振子。这些波浪永远来回晃动，使它们成为时间晶体。

　　Autti的团队将两组磁振子作为自己的时间晶体，并让它们足够接近以相互影响。磁振子的组合系统相当于一个具有两种不同状态的时间晶体。

　　Autti的团队希望他们的实验能够阐明量子和经典物理之间的关系。他们的目标是建立时间晶体，在量子态不解体的情况下与环境相互作用，允许时间晶体在用于其他事情时保持运行。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。

　　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，信息的基本单位是一个比特，它可以取0或1的状态，而在量子计算中，每个“量子比特”可以同时位于多个位置，从而允许更大的计算能力。

　　“这可能意味着时间晶体可以用作在实验室外也能工作的量子设备的构建模块。在这样一个项目中，我们现在创建的两级系统将是一个基本的构建模块，”Autti说。

　　这项工作目前离工作的量子计算机还很遥远，但它确实开辟了有趣的研究途径。如果科学家可以操纵双时间晶体系统而不破坏其量子态，他们可能会建立更大的时间晶体系统，作为真正的计算设备。