时间晶体量子计算机成为可能
一直以来，人们认为时间晶体是不可能的，因为它们是由永无止境的运动的原子构成。
近日，发表在《Nature Communications 》上的一项研究表明[1]，不仅可以创造出时间晶体，而且，还可能构建一种新型的，在室温下工作的时间晶体量子计算机。
01. 从晶体到时间晶体
从可乐中的冰块到珠宝中的钻石，晶体在我们日常生活中随处可见。
然而，在普通晶体中，原子是以固定、三维网格的结构排列，像是钻石或石墨晶体的原子晶格。这些重复的晶格可以在构型上有所差异，但是它们所呈现的任何运动都完全来自外部推力。
在时间晶体中，原子表现得稍微不一样。它们随着时间表现出运动模式，无法很简单地由外部推力或挤压而解释。这些被称作是「滴答声」（ticking）的震荡，被锁定在一个规律且特定的频率上。
理论上来说，时间晶体在它们最低的能量态，也就是基态时会滴答地震荡，也因此在长时间下是稳定且连贯的。他们可以永久地保持这种运动，而无需在此过程中输入能量或损失能量。
所以，普通晶体的结构是在空间中重复，而时间晶体的结构是在时间与空间中重复，因此展现出永久的基态运动。
其理论于2012 年由诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek 首次提出，曾被认为在物理上是不可能发生的，直到2016 年才被正式发现与确认。
02. 时间晶体的秘密
本研究主要作者，英国兰卡斯特大学的物理学家Samuli Autti说，在没有外部推力的情况下，时间水晶会不断移动并在时间上周期性地重复。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。
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，即支配亚原子粒子微观世界的规则[2]。
Autti说：“每个人都知道永动机是不可能发生的。但是，在量子物理当中，只要我们闭上眼睛，永动机是可能发生的。由此，我们就可以制作时间晶体。”
此处指的是海森堡不确定性原理，它暗示了当观察和测量一个量子系统时，它的量子波函数是如何坍缩的。由于它们的量子力学性质，时间晶体只有在完全与环境隔离时才能以 100% 的效率运行。
这一要求限制了它们可以被观察到的时间量，直到它们由于波函数坍缩而完全分解。
这就是Autti团队所研究的工作，他们试图找到一种通过经典观测与量子时间晶体互动的方法。
在微观世界，量子物理学是统治者。
但在宏观世界，如虫子、猫、行星和黑洞等，最好用经典力学的决定性规则来描述。
Autti表示，从量子物理学到经典物理学的连续体仍然鲜为人知。两个世界之间的转变是现代物理学的重大谜题之一。
时间晶体跨越了这两个世界之间的一部分界面。也许我们可以通过详细研究时间晶体来学习如何消除这个界面。
03. 时间晶体的产生
在新的研究中，Autti和他的团队使用称为磁振子（Magnons）的准粒子（Quasiparticle）来构建他们的时间晶体，磁振子并不是真的粒子，但是包含了电子自旋的集体激发，像是一波穿过自旋晶格的波浪。
研究人员采用氦的稳定同位素——氦-3（一种有两个质子但只有一个中子的氦原子），并将其冷却到绝对零度（0.0001K 或 -273.15°C）以上万分之一的温度。
在该温度下，磁振子会出现。这创造出了一种称作B 相的超流体，也就是低压的零黏度流体。
图1｜实验示意图：超流体氦-3样品包含在石英玻璃圆柱体中。磁振子时间晶体（蓝色斑点）通过使用夹线圈（绿色线环）产生的静磁场中最小值的组合效应以及超流体轨道动量的空间分布被困在容器的中间L（绿色小箭头）。使用横向拾取线圈观察时间晶体中磁化强度M （品红色锥）的相干进动。静磁场H的方向平行于圆柱体的轴线。出于说明目的，添加了超流体自由表面上的波纹。（来源：Nature）
这是很多材料都无法做到的。在超流体中，粘度为零，因此不会因摩擦而损失动能，从而允许运动（例如时间晶体中的原子的运动）无限期地继续。
在这种媒介中，时间晶体会作为空间上不同的玻色–爱因斯坦凝态（Bose-Einstein condensate）而形成，而每个玻色–爱因斯坦凝态都包含有一兆颗磁振准粒子。
玻色-爱因斯坦凝聚态是由玻色子冷却到绝对零以上的一小部分形成的（但没有达到绝对零，此时原子停止移动）。
这使得玻色子降回到最低的能量态，移动非常地缓慢，并且聚集得够近而重叠，因而产生高密度的原子云，行为表现像是一颗「超级原子」或是物质波。
当两个时间晶体被允许互相碰触时，它们会交换磁振子。这项交换影响了每个时间晶体的震荡，创造出了单一个系统，但是能够选择在两个分离的状态下运作。
Autti 的团队成功制造了两个相互作用的时间晶体。
此外，他们在时间晶体的波函数衰减之前，以创纪录的时间观察了这种时间晶体配对，大约 1,000 秒（近 17 分钟），相当于原子的数十亿周期的振荡或旋转运动。
Autti 表示，“事实证明，将它们中的两个时间晶体放在一起效果很好。”
04. 未来展望
Autti的团队希望他们的实验能够澄清量子和经典物理学之间的关系。他们的目标是建立与环境相互作用的时间晶体，而不使量子态坍塌，使时间晶体在用于其他方面时能够继续运行。
这并不意味着自由能量，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。
这些发现为开发通用量子计算机创造了一个有新的、有前途的研究方向。
建立量子计算机的一种方法是，将无数个时间晶体连接起来，每个晶体都被设计为一个量子比特。
因此，这个连接两个时间晶体的首次实验创造了一个量子计算机的基本构件。
先前的实验已经表明，时间晶体可以在室温下运行，而不需要冷却到几乎绝对零度[3]，这使得它们的构造更加容易。
Autti 的团队表示，下一个任务是演示逻辑门操作，即允许计算机处理信息的功能，可以在两个或多个时间晶体之间运行。
在构造量子计算设备的征途中又多了一条路径，期待Autti 团队进一步的突破，也许，常温时间晶体量子计算机，不远了。
引用：
[1]http://dx.doi.org/10.1038/s41467-022-30783-w
[2]https://www.nature.com/articles/s41563-020-0780-y
[3]https://www.nature.com/articles/s41467-022-28462-x