量子计算、激光还有时间晶体

8/10/2021，光纤在线讯，那天看到ZDNet上关于时间晶体的文章，第一时间找身边几个学物理的朋友寻求解读，可惜他们都说没有涉猎。这几天关于时间晶体更多的文章陆陆续续出来，引得笔者好奇心更盛，再找来ZDNet那篇文章，还Bing了一堆其他文章，也想谈谈自己对这个新物理概念的理解。

什么是时间晶体？
从时间上来说，它打破了时间平移对称性。从物质形态来说，它是全新的非平衡态物质。所以说，从科学角度给它下的定义：一种打破了时间平移对称性的非平衡态物质。

时间晶体的概念首先由2004年诺贝尔物理学奖得主，美国MIT的弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek）于2012年提出。他在教授一门关于一般晶体（空间晶体）的课程时提出了这一构思。“如果我们对空间上的晶体进行思考，那么考虑时间上的晶体这一分类也是自然而然的事情，”考虑一块钻石，它是一团碳原子的结晶相。这团碳原子在任何空间位置都受到同一方程的约束，因此其形式呈现出空间周期性的变化，原子位于空间晶格的格点。物理学家称之为“空间平移对称性的自发破缺”。韦尔切克设想了一个平衡的多部分系统，类似于钻石。但这一结构打破的是时间平移对称性：它进行周期性的运动，以规则的间隔回到初始的配置状态。不同于钟摆消耗能量，并最终在能量耗尽时停下。韦尔切克的时间晶体处于超稳定的平衡态，不需要能量输入，就能无期限地持续下去。

加州大学伯克利分校Norman Yao诺曼·姚拿果冻比作时间晶体。「时间晶体就像果冻一样，你轻轻一碰，它就一直抖动。但这种运动的不同之处在于，它不消耗任何能量。时间晶体就像是在自然的基态条件下持续振荡的果冻，它永远不会停下来，这使得它成为一种拥有全新物态的非平衡态物质。」

图1 《自然》杂志封面的“时间晶体”示意图
时间晶体与“热力学第二定律”
经典物理学的热力学第二定律强调孤立系统必然会自发走向混乱无用的随机状态（熵增加），也就是达到热平衡状态，比如奶倒入咖啡里，冰块放水里，最后都会自发混合。时间晶体违法这一常识的是，在不需要任何外在能量的情况下，它可以在两种高能量状态下自发转换。

时间晶体与量子计算
在ZDNet的文章中，作者借Birmingham大学物理学教授Curt von Keyserlingk的思想试验来说明为什么谷歌的量子计算机可以用于时间晶体的研究。假设一个孤立系统中的一个纸盒，向里面放入很多硬币，充分摇晃，最后一定是随机的一半上一半下。系统不会记得最开始的时候多少枚硬币向上，又有多少向下。但是当进入量子系统的时候，von Keyserlingk教授说，“封闭系统中我们可以想象的唯一时间晶体就是量子力学系统。”谷歌的量子计算机Sycamore因此成为一个很好的试验对象。
在这台量子计算机中，量子位qubit（光子的偏振态或者电子的自旋态）就是上述的硬币，特定的量子位操作相当于上述的摇晃盒子，如果最后的状态不再随机而是和最初的状态一致，那就是进入了时间晶体的状态。甚至可以是偶数次摇晃之后是最初的状态，奇数次则是另外的状态。这被成为时间的对称性。
在谷歌的实验中，拥有20个量子位的Sycamore量子计算机扮演了关键角色，它的计算能力比传统计算机大得多。普通的笔记本电脑只相当于10个量子位的量子计算机，而那篇想增加一个量子位的计算能力，传统计算机所需要的存储都要指数增长。这就是量子计算最被看好的应用之一。

时间晶体与激光
自从时间晶体的概念2012年诞生以来，科学家们一直试图去验证这个概念。2016年，来自美国马里兰大学、哈佛大学的两个独立科学家团队各自宣称，他们用不同的方法竟然制造出了时间晶体。
图2
马里兰大学张颉颃博士为首的科研团队将10个带电镱离子排成一条直线，再用一束激光轰击离子创造一个磁场，用另一束激光反转原子的自旋方向，一遍一遍地重复该过程，最终让原子进入在时间上重复的反转模式，从而制造出“时间晶体”。

而哈佛大学的科研团队以金刚石和其中100万个随机分布的氮—空位为实验平台，制备出一种离散型“时间晶体”。因实验样本大，这一方法暗示“时间晶体”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

时间晶体能有什么用?
能够无需外部能量自动转换状态，这似乎就是人们设想中的永动机，但是可惜的是时间晶体无法向外输出能量，所以依靠它作为动力并不可能。其实现在谈时间晶体的应用为时还早，浪漫的人们预测它可以用来永久封存人脑中的意识，现实一点的人想用它作为量子计算机的内存。但是所有这些都还很遥远。