晶格化时间的探索之旅

称为时间晶体的奇异物质形式本来是不可能存在的。现在，它们不是不可能。

Peter Crowther插图

Christopher Monroe一生的时间花在用光拨动原子上。他将原子排成环状和链状，然后用激光推动它们来探索它们的特性，制造基本的量子计算机。去年，他决定尝试一些看似不可能的事物：创建一个时间晶体。

这个名字听起来像某个医生的道具，但它起源于实际物理。时间晶体是假想结构，脉冲不需要任何能量——像从不需要绕圈的运转的时钟。这种模式在时间上重复，与晶体原子在空间中重复的方式差不多。这种想法如此具有挑战性，以致于当诺贝尔获奖物理学家Frank Wilczek在2012年提出这个争议性的概念时，其他研究人员很快证明没有办法可以创建时间晶体。

但有一个漏洞——一个独立物理分支的研究人员找到了一种方法来利用这种缺陷。马里兰大学帕克分校的一名物理学家Monroe和他的团队利用他们为其他用途构造的原子链来制作一个时间晶体版本（参见‘如何创造一个时间晶体’）。“我想说，它在我们这个圈子里有点毁灭性，”Monroe说。

马萨诸塞州剑桥哈佛大学的研究人员领导的一个小组独立地用‘脏’钻石做成时间晶体。本周在《自然》杂志上公布的两个版本都被认为是时间晶体，但不是Wilczek最初想象的那样。“它不如第一个想法奇怪，但还是该死的不可思议，”Norman Yao说道。他是博客里加州大学的一名物理学家，这两篇论文的作者。

它们也是一种不寻常的物质类型的第一个例子——不断变化的量子粒子的集合，从未达到稳定状态。这些系统从通常会扰乱其他物质类型的随机相互作用中提取出稳定度。“这是一种新的秩序，一种以前认为不可能的秩序。这非常令人兴奋。”Vedika Khemani说道，他是哈佛团队的成员，也是最初建立新状态存在理论小组的前成员。实验物理学家已经策划了如何在量子计算机和超灵敏磁传感器上利用这些奇怪系统的狭小空间。

Nik Spencer/《自然》

•切断时间

Wilczek将时间晶体设计成一种打破规则的方式。物理学法则是对称的，在这里他们在空间和时间上将均等应用到所有点上。然而许多系统违反了对称性。在磁铁中，原子排列起来自旋，而不是指向四面八方。在无机晶体内，原子占据空间上的固定位置，并且在轻微移动时晶体看起来不一样。当变换导致特性被改变时，物理学家就称其为对称破裂，它实际上是无处不在的——磁性的根源、超导电性，甚至是给粒子质量的希格斯机制。

Wilczek如今在斯德哥尔摩大学，在2012年，他想知道为什么对称性在时间上从未被自发打破过，它是否可能会创造出它能创造的事物。他称其为时间晶体。实验物理学家设想出一个量子版本的这种实体，可能像不停旋转的原子环，转动着并且返回它的初始组态。它的特性是在时间上不停地同步，正如原子的位置在晶体内相互关联。这种系统会是它的最低能量状态，但它的移动不需要外力。本质上，它会是永动机，尽管不是产生有用能量的那种。

“从第一眼看到这种想法，有人会说这是错误的，”Yao说道。仅仅从定义上讲，最低能量状态的系统在时间上不会有变化。Yao说，如果它变化了，这意味着它失去了过量的能量，旋转会立刻停止。“但Frank让团体相信这个问题比它可能看上去像的更微妙，”他说。永恒运动在量子世界没有先例：理论上，超导体永远导电（然而流量是均衡的，所以它们在时间上没有显示出变化）。

“这是一种新的秩序，一种以前认为不可能的秩序。”

当Haruki Watanabe走出伯克利博士学位的口试时，这些有冲突的争议在他的脑中萦绕。他已经表述了从空间上打破对称性方面的工作，他的导师询问他关于Wilczek的时间晶体的更广泛的应用。“在那场面试中，我不能回答这个问题，但它勾起了我的兴趣，”Watanabe说，他怀疑这种实体是否是可实行的。“我在想，‘我怎么才能让人们相信这是不可能的？’”

与东京大学的物理学家Masaki Oshikawa一起，Watanabe开始尝试以数学上严谨的方式证明他直观的答案。通过对这个问题用根据空间和系统两端时间上的关联性来措辞，这对搭档于2015年推论出一个定理，表明时间晶体不可能在任何最低能量状态下被创造出来。研究人员也证实，时间晶体对任何均衡系统来说是不可能的——一个已经达到任何能量的稳定状态的系统。

在物理学界，这个案例是清晰的。“这似乎是行不通的，”Monroe说。但证据留下了一个漏洞。它没有排除系统中的时间晶体，这种晶体尚未达到稳定状态，是不均衡的。在世界各地，理论家们开始想办法来创建时间晶体的替代版本。

•粒子流

当突破性的进展到来时，它来自物理学的一个不太可能的角落，在那儿研究人员完全不考虑时间晶体。

当某些孤立的由相互作用的粒子流形成的量子系统被反复给力时，新泽西普林斯顿大学的一名理论物理学家Shivaji Sondhi和他的同事们着眼于发生了什么。物理教科书说这种系统应该受热并陷入混乱。但在2015年，Sondhi的团队预测，在某些情况下，它们不会聚在一起，反而会形成在平衡状态下不可能存在的物质阶段——一种显示以前从未见过的微妙联系的粒子系统——这会在时间上重复一种模式。

这个提议引起了Chetan Nayak的注意，他是Wilczek的一名前学生，现在在圣芭芭拉加州大学。Chetan Nayak在微软附近的车站Q.Nayak与他的同事们很快意识到，这种失去平衡的物质的奇怪模式也会是一种时间晶体。但不是Wilczek的那类：它不会是最低能量状态，并且需要有规律的冲击来脉动。但它会获得一种稳定的节奏，与引导的冲击不匹配，这意味着它会打破时间对称性。

“这像玩跳绳，我们的手臂晃了两次，但绳子只晃动一次，”Yao说道。这是一种比Wilczek想象的更弱的打破对称性的类型：在他的想象中，绳子完全是自我晃动。

当Monroe听到这种设想的系统时，他最初不明白。“关于这个系统的书读得越多，我就越好奇，”他说。

绿光照射揭露了在钻石缺陷内电子自旋（红色）网络中的成形的时间晶体。

去年，他开始尝试将他的原子形成时间晶体。方法极其复杂，但仅有三个组成部分是至关重要的：一个反复扰动粒子的力，一种让原子相互作用的方式和少许随机无序度。Monroe说，这些部分的组合保证了粒子被限制在它们能吸收的能量范围内，使它们能够保持稳定有序的状态。

在他的实验中，这意味着向10个镱离子组成的链条发射交变激光：第一束激光使它们的自旋翻转，第二束让自旋以随机方式相互作用。这种结合引起了原子自旋的振荡，但在第二个阶段时，它们被反转了。更重要的是，研究人员发现，即使他们开始以一种不完美的方式翻转系统，如通过略微改变激光脉冲的频率，振动仍然是一样的。“这个系统仍然锁定在一个非常稳定的频率，”Monroe说。空间晶体也同样抗拒任何将它们的原子推离固定位置的企图，他说道。“这种时间晶体有同样的特性。”

在哈佛，物理学家Mikhail Lukin试着做类似的事情，但在不同的系统下——一块3D钻石。这块矿物质充斥着100万个缺陷，每个都隐藏着一种旋转。钻石的杂质提供了天然的无序。但Lukin和他的团队用微波脉冲翻转这些旋转时，他们看到系统对小部分被扰乱的频率有响应。

“这是一个有趣的开发，但在某种程度上它滥用了该词”

物理学家认为，这两种系统自发打破了一类时间对称性，从而精确地完成时间晶体标准。但对是否称它们为时间晶体有争议。“这是一个有趣的开发，但在某种程度上它滥用了该词，”Oshikawa说。

Yao说，新系统是时间晶体，但定义需要缩小，以避免包含已经完全理解并对量子物理学家来说并不是那么有趣的现象。

但Monroe和Lukin的创造也因不同的理由而让人兴奋，Yao说道。它们似乎是第一个也许也是最简单的例子——很少被研究的不均衡状态下存在的大量新阶段，他说道。它们也可能有些实际应用。一个可能在高温下工作的量子模拟系统。物理学家经常利用毫微开尔文温度（接近绝对零度）下纠缠态的量子粒子来模拟复杂的物质动作，这在传统计算机上无法模仿。时间晶体表现为稳定的量子系统，存在方式高于这些温度——在Lukin的钻石案例中处于室温下——很可能对没有低温物理学的量子模拟打开了大门。

时间晶体也可以应用在超精密传感器上，Lukin说道。他的实验室已经利用钻石缺陷来检测温度和磁场领域的微小变化。但这种方法有限制，因为如果小空间里集中了太多缺陷，它们的相互作用就会破坏脆弱的量子态。然而，在时间晶体内，这种相互作用有助于稳定，而不是破坏，所以Lukin能够利用聚集的数以百万计的缺陷来产生强烈的信号——一种能够有效探测活细胞和原子厚度材料的信号。

来自相互作用的同样的稳定原理能在量子计算机方面提供更广泛的应用，Yao说道。量子计算机显示了巨大的潜力，但长期以来，与保护执行计算的脆弱的量子比特还让它们能够访问编码和阅读信息的对立挑战作斗争。“你能在未来问自己，是否有人能找到相互作用能让这些量子比特稳定的阶段，”Yao说。

时间晶体的故事是一个美丽的例子——当不同的想法一起来临时，进步是如何发生的，Roderich Moessner说道。他是德国德累斯顿马普研究所复杂系统物理学方面的主任。他说，它可能是证明虚构时间晶体的多种方式之一的特别的方法。

原文来自：//www.nature.com/news/the-quest-to-crystallize-time-1.21595