首都科学讲堂 | 第755期：科幻电影中的量子物理

本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

“遇事不决，量子力学”。量子力学仿佛一直都是个神秘莫测的存在，它的预言总是出乎人们意料，甚至成为科幻电影中经典桥段的灵感源泉。球状闪电真的是宏原子么？“三体人”真能用量子纠缠实现超光速通信？薛定谔猫态与量子生物体的联系是什么？量子计算机到底有多厉害？不断循环往复的世界存在吗？其实，科幻电影中天马行空的想象背后，很多都有严谨的物理学理论；而严谨的物理学家，也会有各种神奇的理论构想。

本期首都科学讲堂邀请北京理工大学物理学院量子技术研究中心尹璋琦教授，以近年来热门的科幻小说、科幻电影为引子，带你领略量子世界的奇妙。

主讲嘉宾：
尹璋琦
北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授▲科幻电影中的量子物理（上）
▲科幻电影中的量子物理（下）
科幻电影与量子物理

中学时候，我就已经是一个科幻迷了。等到我读大学、读研究生的阶段，电影技术迎来了飞速发展，把科幻小说中的幻想画面，都变作了电影镜头中的 “现实”。

过去十多年，美国科幻电影《蚁人》系列、《复仇者联盟》系列、《星际穿越》等，让人看到很多天马行空的想象力。我国的科幻作品也带给了读者们和观众们非常大的震撼，比如说科幻作家刘慈欣写的科幻小说《流浪地球》，经过2019年的影视化后，取得了当年的票房冠军。他的另一部鸿篇巨著《三体》系列，改编的电视剧据说也将在2022年下半年播出。

2000年，刘慈欣的科幻小说《乡村教师》曾探讨人类学习知识的意义。小说讲了一位乡村民办教师在生命的最后时刻，给他的学生们讲解了“牛顿三定律”概念。恰巧学生们学懂了“牛顿三定律”之后，学校里来了一组外星人，要测试地球文明程度够不够高。这些学生通过了外星人的测试，从而拯救了地球。

这个故事看起来有点荒诞不经，但它真正想表达的是：学好知识不光是为了改变我们的生活，更重要的是拨开心灵迷雾，改进我们看待世界的方式。

2014年，中国科学家曾记录过一组有趣的视频，叫做《球状闪电》。球状闪电的原理至今仍众说纷纭：到底是燃烧的火球，还是微波的激射？还是所谓孤立子或激子的微波空泡……出现了各种各样的假说。

在刘慈欣的科幻小说《球状闪电》中，他大开脑洞，认为球状闪电其实是电子的一个高维展开，是宏观的电子。当我们对实质上是宏观电子态的球状闪电进行观察时，会导致量子叠加效应产生量子的坍缩。读完这本小说后，大家可能会发出疑问，那么到底什么叫量子叠加？宏观的量子叠加效应真的存在吗？

1920年代，量子力学建立之后，它成功地解释了所谓的原子光谱、放射性等微观现象，成为原子弹、氢弹、半导体工业和信息技术的理论基础。如今的全球通信网络、电子计算机、手机等，背后的技术基础也都源自量子物理学。

可以这么说，过去的100年是量子物理取得了极大成功的时代。这样的一个量子物理它到底是什么？最初来看的话，是研究微观物理的规律。对于一个宏观世界来说，到底存不存在量子效应、量子叠加、量子干涉等现象，都是大家非常感兴趣的事情。

早在100年前，法国著名理论物理学家德布罗意就认为，物质（电子、原子）可以展现出某种波的效应，他称之为物质波的干涉。所以在当时，人们就验证了电子可以像光一样，实现双缝干涉的实验。之后的100年，人们把宏观物质波干涉系统越做越大，等到了2013年时，已经可以做到包含近1000个原子、复杂的有机分子的双缝干涉的实验。

那么，我们的终极目标是什么？其实我们瞄准了做更大、近宏观系统的干涉现象或量子叠加现象，也就是验证1935年，奥地利著名物理学家薛定谔提出来的“薛定谔猫”假说。

所谓“薛定谔猫”假说，就是说一只猫在一个黑盒子里面关着，同时这个黑盒子里还有放射性物质和毒药瓶装置，等过了一段时间后，放射性物质辐射的几率是50%。一旦放射性物质辐射就会被探测到改变电平开关，控制铁锤砸碎毒药瓶，从而猫会被毒死。如果放射性物质没产生辐射，猫就会活下来。

所以，从量子力学的角度来看，黑盒子打开之前，我们不知猫是生是死，它处于“生与死”的量子叠加态，猫的生死与辐射物质的辐射与否紧密相关，这个关联我们称之为量子纠缠。

像“薛定谔猫”这样一个宏观系统的量子叠加到底存在吗？这其实也已经争论了近100年。如果我们相信量子物理是正确的话，这个宏观量子叠加就存在。如果我们认为量子力学存在漏洞的话，那么它就有可能不存在。

更有趣的一个推论是说，如果你是那只猫，你能不能通过观察自身来防止自己的死亡。这相当于你自己掷骰子，来确认自己到底是活还是死。为了解释“薛定谔猫”，人们也提出了好多想法。其中一种是说，猫可能会处于一个多重宇宙中，有多重世界的量子叠加。因此在不同的世界中，有的世界猫是活的，有的世界猫是死的。

除了“薛定谔猫”这种宏观量子叠加效应之外，量子物理还有没有其他用处？

1968年的时候，美国哥伦比亚大学的一位研究生斯蒂芬 · 维斯纳（Stephen Wiesner），首次提出了一个叫做“量子货币”的理论。

维斯纳认为，利用量子力学的效应，可以用很多个光子编码出一个量子态的货币。它最大的优势是无法被复制和伪造。这样一个想法太过于超前了，导致当时他的论文写完之后，没有地方能够发表。幸运的是，他在哈佛大学本科的好朋友查理·贝内特（Charles H. Bennett），和他交流之后却一直记得这个想法。

贝内特毕业之后去了IBM公司研究院工作，后来大概在1980年前后，贝内特和密码学专家吉勒斯・布拉萨德（Gilles Brassard）相遇了。他们发现，维斯纳的量子货币理论可以用于密码学。作为量子密码分配的任务，其可以做到经典密码做不到的“一次一密”，从而实现完全保密、绝对安全的效应。

1990年代初，一些公司最早尝试将量子保密技术在通信领域商用化。到了1999年，加拿大多伦多大学的华人教授 Hoi-Kwong Lo（音译：罗海光）领导的团队发现了一种新的量子加密法，严格证明了量子保密通信的实际安全性。但根据他的理论，最早的量子保密通信的安全传输距离仅仅只有10公里。直到2005年，一个叫做诱骗态编码的协议出现了，使安全传输距离提升到了几百公里。

到了2012年，更加安全的、与测量无关的MDI-QKD量子保密通信技术也出来了。经过多年发展后，到今天为止，量子保密通信的安全距离已超500公里，最远到达800公里，这个纪录也是中国人保持的。

2016年，中国人突破了量子通信卫星技术。2017年9月，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”也开通了，这是由中国科学技术大学潘建伟教授领衔，带领团队完成的。

在刘慈欣的科幻小说《三体》中也提到过一个类似的智子量子通信技术的概念。小说里的“智子”是什么？是一个11维的质子展开成一个巨大的二维平面，在这个平面刻蚀集成电路，从而让质子变成了超级人工智能，把它还原成11维后，其体型大小又变成了一个微小的质子，但这时的这个质子已经是一个拥有高度智慧的AI了，小说中称之为“智子”。那么不同的“智子”之间如何进行实时的沟通联络呢？小说家认为就需要借助量子通信技术。那么，这种桥段设计符合科学吗？量子通信真能做到实时通信吗？

这里小说家可能看到了量子纠缠（EPR佯谬）的概念。这个概念是1935年，由爱因斯坦等科学家们提出的，他们认为如果相信量子力学的话就会存在以下问题，即：有一对光源能够朝两个方向同时发射两个光子，这两个光子的偏振方向会相互关联，无论相距多遥远，只要知道A地光子的偏振，马上就可知B地光子的偏振。这样一个好像超时空的关联，我们把其称之为“量子纠缠”。

这样的一个概念在1935年提出后，经历了长期验证后发现，这个佯谬是爱因斯坦理解错了。量子力学确实存在“量子纠缠”这种超空间关联，但却无法利用这个超空间的关联，去实现超光速的通信。

1993年，科学家们提出了量子保密通信技术，可以实现相聚很遥远的A和B之间的量子态的保密传输。但这种保密传输的前提是，必须有一个经典通信通道，才能实现量子态的隐形传输。

只靠“量子纠缠”的“量子通信”技术来实现超时空的实时传输是不可能的，目前来看这只是科幻小说中一种大胆的设想。

科幻电影与量子计算

在科幻小说和科幻电影中，也有很多关于量子计算的设计桥段。

比如在好莱坞电影大片《蚁人2》中，男主角不停梦到上一代“黄蜂女”的声音对他说话。他去咨询一个物理学家，物理学家解释说，这是因为男主大脑中有一个叫做Posner的分子跟“黄蜂女”之间有了量子纠缠。电影中的“黄蜂女”由于20年前的一场事故，把自己缩小到了原子尺度，正是利用了量子纠缠效应来给男主托梦传输信息。

通过Posner分子实现量子纠缠？这是科幻编剧又在开脑洞了吗？其实，这个脑洞的背后是真实有量子物理的原理做支撑的。

早在1989年，学者彭罗斯在其著作《皇帝新脑》中猜测，我们的大脑可能是一台量子计算机。大脑中一个叫做“微管”的器官，可能能够实现量子叠加和量子纠缠。后来经过科学家们的深入研究，这种“微管”的量子相干和量子叠加的特征时间远小于1纳秒，也就是10的负9次方秒，和人思考或产生意识所对应的特征时间相比而言要短得多。

2015年，美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家马修·费希尔（Matthew Fisher）教授提出，大脑量子计算机可能是使用一种名为“波斯纳”（Posner）的磷酸盐分子来充当量子比特存储器，其原子核核自旋相干时间可以长达几分钟，足够用来进行思考和计算。

这个想法真的很有趣，也引起我们的思考：生物体中存在量子效应吗？人类的大脑里真有量子效应吗？

量子计算的历史到现在有40年了。1981年前后，美国物理学家费曼等人提出，我们应该研究基于量子效应的计算机或模拟器。因为整个世界底层的运行规律就是量子，很多新材料和新现象都离不开量子物理。

1993年的时候，时任普林斯顿大学教授的中国学者姚期智教授也证明了量子图灵机和量子电路模型等价，提出了分布式量子计算的模型等。1994年，美国数学家提出了著名的量子算法Shor算法，能在多项式时间内有效地完成大整数质因数分解，和网络安全领域的密码机制等联系变得非常密切，一下子引起了全世界各国政府的关注。

什么是量子计算机？简而言之，量子计算机就是基于量子物理运行规律而运转的一个计算机，所谓量子物理的规律其实就是原子系统所需要遵循的运动规律。

对照经典的个人电脑，我们可以来理解构想中的量子计算。假如个人电脑输入了一组0和1这样的经典比特，而量子计算机虽然也可以输入一组0和1的数值，但它还可以输入0和1的所谓的量子叠加态。这种0和1的叠加态的状态，我们把它称之为量子比特。量子计算机进行运算的过程中，实际上是量子比特的演化过程。

量子系统的演化会存在量子相干、叠加，出现干涉增强，从而提升运算的速度，让量子计算机的运算天然是一个并行计算。虽然计算得更快，但量子计算机也是不能完全取代传统计算机的，因为传统计算机很多算法已经优化到极致了，即使用量子计算机也可能没有办法进一步优化了。

对于量子计算机来说，我们可能需要找到一些更好的算法，相比经典算法能有一个本质的提升。从这个意义上来说，量子计算是对经典计算的一个非常重要的补充和优化。

为了实现量子计算，人们认为可能至少需要分两步，包括通用和专用量子计算机，终极目标是实现通用量子计算。我们需要对量子计算机进行编程、纠错、扩展，但难度还是非常大的。因为目前来看，实现一个通用量子计算机可能需要上百万个量子比特，从而获得大概1000个可纠错的逻辑量子比特。然而，目前量子比特数还远远不够，纠错容错技术也不够完善，大大限制了计算能力。

专用量子计算机可以用来做量子模拟，比如说新材料、新的药物分子模拟和计算。针对某些优化组合问题，也可以用专用量子计算机进行计算。

过去这几年，量子计算已有了长足进步，谷歌、IBM等美国公司，华为、阿里巴巴、百度等中国公司，都在这个领域投入了很多资源。

2019年，谷歌宣布基于一个53个量子比特的超导量子计算机实现了对经典计算的超越，首次实现“量子霸权”（即量子计算机在速度和可完成运算项目上，超越现有最快的传统计算机）。这样的一个系统所做的事情实际上是产生了一组很特殊的随机数，这组随机数如果用经典的超级计算机计算，可能需要百万年甚至一亿年，但是量子计算机只用了几分钟就做完了。

“量子霸权”实验后，2020年12月，中科大的潘建伟、陆朝阳团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。

他们所做的实验也是来产生一组所谓特殊的随机数，如果要用当时最快的超级计算机“太湖之光”模拟的话，可能需要10的13次方秒、14次方秒，而“九章”只花了几百秒就做完了。

当前我们把含有约100个量子比特的计算机称为中等规模、含噪声的量子计算机，下一步我们将通过人工智能等手段继续探索它们的实际应用。未来五年内，我们也希望能够让量子计算机的量子比特的数目超过1000个，量子逻辑门的误差控制在千分之一量级，实现一个可纠错的逻辑量子比特，这是最关键的一步。一旦做到这一步，就意味着我们以后能够把可容错的量子计算做到更大。未来十年内，我们希望能够把量子比特的数目进一步地提升到差不多100万个，从而实现可容错的通用量子计算。

实现了这样一个可容错的通用量子计算能做什么？第一，我们可以来高效地求解线性方程组。天气预报系统、机器学习、人工智能、数据拟合等领域，都涉及非常多的线性方程组的求解。第二，就是用运算筛选化学中的各种药物分子系统等，加速药物研发过程。第三，我们可以使用量子云计算技术，相当于把超级量子计算机放到网络上，让互联网用户上传个人量子程序，提交到量子云平台上，来运算自己的任务，从而让量子计算更好地惠及千家万户。

2016年，IBM公司发布了首个量子云在网上所提供的量子计算资源。如今，IBM量子云的量子比特数已经至少200个了。阿里巴巴、本源、华为等中国公司也建设发展了自己的量子云平台。

目前网上能够访问的量子计算机大都包含了30个以上的量子比特，预计几年之内将继续扩展到几百个甚至上千个。

科幻电影与量子生物

当量子时代来临之后，我们期待未来能让生物的量子效应也一一展现出来。科幻电影《蚁人2》里，每当男主角缩小时，他都会先缩小到一个中间尺寸。当驾驶飞船缩小到中间尺寸的时候，他的飞船窗外就会突然出现一个看起来非常可爱的“猛兽”。这个“猛兽”就是水熊虫。

水熊虫尺寸大约几十微米，样子看起来很可爱，但其实耐高温、耐真空，非常强健。它平时是不是就生活在所谓的量子领域的边缘？

1944年，薛定谔提出“薛定谔猫”假说之后，写了一本书叫做《生命是什么？》，书里提出，量子物理是理解生命所必需的，比如基因突变导致生物的演化和进化等理论。他还在书中描述，生命过程中存在着量子效应，可能也是生化反应所必不可少的。

薛定谔的这个猜测在十多年前得到了一定程度上的证实。2007年，科学家发现在低温下，植物的光合作用中存在量子叠加效应。到了2010年，科学家们发现甚至在室温4摄氏度下，叶绿素分子也存在量子叠加效应，而且这种量子叠加效应可能极大地提升光合作用中能量传输的效率。

那么，就有科学家在想，能不能真的做出生物本身的量子叠加，而不仅仅是生物内部量子效应的叠加？

2010年时，德国科学家提出在低温真空环境下，用光把病毒囚禁起来，然后制备病毒的量子叠加。病毒不怕低温和真空，作为生物体可能仍旧能够保持一定的生物活性。但严格意义上，病毒不算一个完整的生命体，因为它不能完成自我复制，必须要寄生到其他的生物中。真正意义上完整的生物体，必须是从细菌尺度开始。那细菌尺度的微生物能不能做到量子叠加？

由于量子计算等技术的快速发展，当前科学家们已经能够把微米尺度的一个薄膜振子做到量子叠加态。我们2016年提出，如果把一两个微米大的细菌冷冻起来粘在薄膜振子表面，可以把薄膜振子制备到量子叠加态，甚至做出它的量子纠缠，从而能够验证这个生物体的量子叠加、量子纠缠，乃至于所谓的量子隐形传态。把这些结合在一起，实际上就是实现了相距很遥远的两个微生物体内部状态即记忆之间的传输。

这其实也呼应了1980年代一个有名的科幻系列剧《星际迷航》中的桥段。《星际迷航》中有一个特殊设备叫做传输机。它能把人从星球表面传输到飞船里，或从飞船里传输到外太空的星球中。也许某一天，当技术高度发达的时候，我们真的可以把人所包含的所有信息一下子传输到遥远的外太空，实现遥远的星际旅行。

2018年，《科学美国人》曾报道，荷兰代尔夫特理工大学的Simon Gröblacher教授设想把水熊虫放到一个微米尺寸的薄膜振子上，在超低温和高真空下冷却薄膜振子，冷到量子基态后再用激光来调控，从而实现薄膜振子-水熊虫的量子叠加态。

《蚁人2》的上映也在2018年前后。所以现在就有一个问题了，到底是Gröblacher教授看完了《蚁人2》电影有了这个绝妙设想，还是Gröblacher教授把他这个想法告诉了《蚁人2》电影的科学顾问？都有可能。这个想法也真有人很严肃地尝试了。

2021年年底，新加坡科学家就把水熊虫放到了温度10毫开量级的超导电路中，将其持续冷冻了超过20天（480个小时），冷冻水熊虫可以作为电容来连接两个超导量子比特，他们做了一系列超导量子比特的量子纠缠等实验后，又把水熊虫解冻了，发现水熊虫又恢复了生物活性。所以，未来几年，可能继续会有科学家把水熊虫尺度的微生物冷冻起来，制备微生物的量子叠加和量子纠缠等一系列的量子效应。

那么我们又有一个疑问了，当生物处于量子叠加态的时候，它们还有自我意识吗？能不能够自主思考？

当把一个处于量子叠加或量子纠缠的生物的意识上传到网上，能不能用量子网络连接起生物体的所有意识，形成一个生物体意识量子网络？这看起来很像是一个科幻作品的新灵感，但也可能在未来某一天，通过技术手段把它变为现实。

科幻电影与穿越时空

科幻电影《星际穿越》中出现了很多科学上有趣的概念，比如虫洞、黑洞等。这个电影的联合制片人和科学顾问是美国加州理工学院物理学教授吉普 · 索恩（Kip Stephen Thorne），他同时也是2016年诺贝尔物理学奖的获得者。

1980年代的时候，吉普 · 索恩深入地研究过虫洞这个物理学概念，写了好几篇文章。1990年代，他首次作为科学顾问参与了科幻电影《超时空接触》，其中也使用了虫洞桥段。但很可惜，由于当时技术条件及经费限制，电影中并没有展现虫洞的样子。

而在2014年上映的《星际穿越》中，有非常多的描写和镜头来展现虫洞和黑洞。这部电影讲的是未来某一天，地球出现了生态危机。土星附近突然出现了一个稳定的虫洞，美国科学家去穿越虫洞后，发现了一个很大的黑洞以及黑洞附近的行星米勒，科学家们降落到行星米勒上后进行探险的故事。

从科学角度来看，通常意义的虫洞是很不稳定的。科学家认为，要实现一个比较稳定的虫洞可能需要非常多的所谓的负质量物质，才能够让虫洞稳定下来。我们生活中的通常的物质质量都是正的，而要实现所谓的负质量物质，涉及的技术是远超当今人类科技的。

《星际穿越》中，主角和朋友通过在一张白纸上面画点的方式，形象地展现了什么叫做虫洞：如果想要实现从A点到另外B点，走白纸表面的物理距离很慢，但如果把白纸折叠起来（空间折叠起来）之后，实现AB两个点的对应，就可以通过直接走虫洞（对应点）的捷径穿越这个时空，实现两点之间直接的时空穿越。所以《星际穿越》这个电影本身的名字，其实也就来自于所谓虫洞的这个特性。

穿越了虫洞之后，主角们看到了黑洞。黑洞附近由于质量特别大，所以能够吸收很多物质，形成高度电离的气体分子形式所组成的吸积盘。据说为了模拟出黑洞的样子吉普 · 索恩带领团队里的科学家，花了很长时间开发了一套新算法，才高效地把带有吸积盘的黑洞模拟出来。

主角们经过一系列的探险，想要返回地球的时候发现已经没有燃料了，那怎么办？

他们利用了仅剩的一点燃料尽可能地让飞船靠近黑洞表面，利用黑洞的速度给飞船一个提升自身的速度，这个叫做“引力弹弓”效应。越靠近黑洞表面，等飞船离开黑洞的时候所获得的速度会越大。黑洞表面目前还无人知道到底是什么样子。有一些科学家认为黑洞表面可能会有一个非常高温的火墙——这就是“黑洞火墙”设想。那黑洞内部是什么？电影中认为黑洞内部也会出现所谓的时空穿越，让穿越者进入到高维度的世界等，但现实中这仍是一个未解之谜。

如果我们想要“撕裂”虚空，现实中有合适的科技能帮助我们实现吗？

其实是有的，用超强超短的激光脉冲对撞时，就有可能了。中科院上海光机所计划2023年建成的“超强超短激光站（SEL项目）”，瞬时功率能达到100拍瓦（10的17次方瓦），脉冲长度大概只有飞秒量级，聚焦光斑尺寸只有1微米以下，所以整个功率密度达到了惊人了10的29次方瓦/平方米，这个功率足以“撕裂虚空”，从中轰击出正负电子对。

科幻作品中还有一类关于时间循环的非常有趣的电影。比如说美国的科幻电影《明日边缘》中，男主角不断地复活去和外星人作战，在一遍又一遍的重复过程中不断提升自己，最终战胜了外星人。今年初一个非常火的电视剧《开端》，男女主角也是经过了25次循环的爆炸事件后，终于找出了爆炸案后的真凶。这些桥段背后有没有什么科学原理呢？

我们先看看与时间对应的空间中，有没有能够不断重复的系统呢？还真有，就是空间晶体。

我们知道，组成物质最小的单位是原子，如果把一团原子降温，它可能会先变成液体，然后把温度降得足够低的时候，原子与原子之间就自发地产生一个规则的排列，变成了晶体，这种规则排列下的晶体就像上课时排排坐的学生一样，但晶体每排之间的前后左右都是等间距的。

以色列科学家丹尼尔 · 舍特曼后来更因发现了晶体中的原子排列模式无法重复的准晶体，而获得2011年诺贝尔化学奖。

2012年，另一位诺贝尔物理学奖获得者弗朗克•维尔切克教授（Frank Wilczek）发出疑问：既然空间中物体能够周期性地排列起来，那么在时间中能不能也出现一个自发周期性变化的物质？他把这个物质称之为时间晶体，这种奇妙的时间晶体会自发地出现周期性变化，当它转动变化的时候，可能会比静止的时候更加稳定。

▲时间晶体构想图

同年，我们团队与美国加州伯克利大学合作，提出了一个“量子时空晶体”的想法。我们在环形势阱中，囚禁了多个全同的单原子离子，加上弱磁场，把离子冷却到绝对零度附近，发现离子在空间中形成一个等间距的环状结构，然后它会自发地转圈，也就是它在时间和空间上都结晶了。

不过，当我们提出量子时空晶体概念后，也产生了一些争议，比如说在无限尺寸的系统中，时间晶体到底稳不稳定、存不存在？后来其他科学家们就把时间晶体概念做了扩展，认为我们可以用一些周期性驱动系统和非平衡态的系统来定义时间晶体。

对时间晶体而言，其核心概念是什么？是时间平移上的对称性破缺。空间晶体是均匀的系统破缺空间平移对称性后形成的，与之类比，时间晶体也是时间上稳定的系统破缺时间平移对称性后出现的。稳态系统沿时间平移任意长时，状态都不变。当形成时间晶体后，只有平移时间周期整数倍，状态才不变，这时系统的时间平移对称性就破缺（减少）了。

换句话说，就是如果我们能找到某种物质，它的时间平移对称性自发破缺的话，也可以认为我们发现了时间晶体。

那么，如果在某个周期性驱动的系统中，做出了时间晶体会发生什么？比如说我们有一口时间晶体钟，每敲两下它响一声，敲四下响两声。这时，外加驱动的周期跟它响应的周期之间就有一个2倍的关系，我们就认为这时的它就破缺了时间平移对称性，做了一个离散性的破缺，周期从T变到了2T。

2017年，美国哈佛大学和马里兰大学的两个实验组，基于所谓的离子阱系统和金刚石色心系统验证了这个实验。在离子阱中，他们验证了T到2T的破缺，在金刚石色心中实现了从T到3T的时间平移的离散的破缺。今年谷歌公司基于量子计算机也验证了这种周期性驱动的离散量子时间晶体，他们做出来的时间晶体更加稳定，能够实现的周期数更长，可以做到几百个周期或更长的模拟。

未来我们可以想象一些时间晶体的应用，比如说它来做更准确的时钟。因为时间晶体消耗能量很少，并且非常稳定、非常准确。基于时间晶体，它有没有可能提升计算机或量子计算机的能力，也是值得探索的。

而从科幻角度，维尔切克教授也提了一些有趣的设想。未来某一天，我们也许可以对时空晶体进行编程，让它成为某种循环的计算机。在这样一个循环的计算机中，能够编码或存储我们的自身意识，它就成为了一个“时光胶囊”。

拥有了这样的“时光胶囊”，即使地老天荒，即使宇宙热寂（这种时光胶囊温度越低，性质越稳定），我们那些美妙的情感仍旧永存。把爱保留到宇宙尽头之后，也许会是我们研究制造时间晶体最浪漫的动机。

时至今日，我国在科学、科技层面上的投入不断增大，未来有无限可能，所以请大家发挥自己的长处，不要让想象力和能力被束缚，要主动地去发现、去创造，中国的未来、世界的未来由你们来创造。

（本期图片、视频除署名外，均来自第755期首都科学讲堂）

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内容来源：首都科学讲堂

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