创造时间晶体

这就像玩跳绳。当我们的手臂摇动两次时，绳子只摇动一次。

照片来源:彼得·克罗泽

克里斯托弗·门罗一生都在用光监视原子。他将它们排列成环状和链状，然后用激光“按摩”它们，以探索它们的特性和制造它们的量子计算机。去年，他决定尝试一件看似不可能的事情:创造时间晶体。

这个名字看起来像是从电影《神秘博士》中借来的道具，但它植根于真实的物理学。时间晶体是一种虚构的结构，它在没有能量驱动的情况下产生脉冲，就像一个永远不需要缠绕的闹钟。这种模式在时间上重复，其方式类似于晶体原子在空间上重复。这个想法极具挑战性。当诺贝尔奖得主弗兰克·维尔泽克在2012年提出这个令人兴奋的概念时，其他研究人员很快证明了没有办法建造这样一个时间晶体。

然而，仍然存在差距，来自另一个物理学分支的研究人员已经找到了利用这一差距的方法。马里兰大学帕克分校的物理学家门罗和他的团队利用他们为其他目的建造的原子链制作了时间晶体的一个版本。"我想说这在某种程度上发生在我们身上."门罗说。

由马萨诸塞州哈佛大学的研究人员领导的另一个团队独立地用“脏”钻石制造时间晶体。今年三月发表在《自然》杂志上的两篇论文都被认为是时间晶体，但它们并不是Wilczek最初设想的。"它不像最初的想法那么神奇，但仍然非常不可思议。"这两篇文章的合著者、加州大学伯克利分校的物理学家诺曼·姚说。

“这是一个新的秩序，这在以前被认为是不可能的。这非常令人兴奋。”哈佛团队成员Vedika Khemani说。实验物理学家一直在思考如何将这些不可思议的系统的特性应用到量子计算机和超灵敏磁传感器上。

断路时间

威尔切克梦想用时间晶体打破规则。物理定律是对称的，因为它们适用于时间和空间中的所有点。然而，许多系统挑战这种对称性。在磁铁中，原子排列它们的长链，而不是指向各个方向。在矿物晶体中，原子在空间中占据固定的位置。如果它稍有变化，晶体看起来就会不同。变化导致性质的变化，物理学家称之为对称破裂。它们存在于自然界的所有部分——磁铁、超导体的根部，甚至是赋予所有粒子质量的希格斯机制。

2012年，现在在瑞典斯德哥尔摩大学工作的威尔切克，想知道为什么对称性从来不会在时间上自发破坏，以及它是否能建造一些已经建造好的东西。他称之为时间水晶。实验主义者把这个实体的量子版本想象成一个原子环，可以无休止地旋转，来回循环回到它的原始形态。它的特征可能在时间上无限同步，就像晶体中的原子位置是相互关联的一样。系统可能处于最低能量状态，其活动不需要外力。本质上，它是一台永动机，但它不能产生可用的能量。

"第一次听到这个想法时，人们可能会说它是错误的."姚说道。根据定义，处于最低能量状态的系统不会随时间改变。如果是这样，这意味着它将失去额外的能量，旋转将很快停止。"但是威尔切克说服了学术界，这个问题比看起来要微妙得多."他说。永恒的运动在量子世界中并不是前所未有的:理论上，超导体可以永远导电。

渡边春树走出考场，参加加州大学伯克利分校博士生的第一次面试时，他脑海中浮现出这些相互矛盾的问题。“我想知道，‘我怎样才能让人们相信这是不可能的？“渡边和日本东京大学的物理专家大川正树一起，试图用一种数学上更强大的方法来证明他的直觉。两人在2015年提出了一个定理，表明当任何系统处于低能态时，建立时间晶体是不可能的。

对于物理世界来说，答案很清楚。"这似乎是一个不应该继续下去的领域。"门罗说。但是证据留下了漏洞。它不排除系统中没有达到稳定状态和不平衡的时间晶体。在世界各地，理论物理学家开始思考如何建造时间晶体来选择版本。

颗粒汤

这一突破发生在物理领域一个意想不到的角落，研究人员没有考虑时间晶体。

新泽西普林斯顿大学的理论物理学家Shivaji Sondhi和他的同事们研究了当一个特定的孤立量子系统——一堆相互作用的粒子——被反复强调时会发生什么。教科书中的物理学会说，系统的热度增加，变得混乱。然而，2015年，Sondhi的团队预测，在某些情况下，它们会聚集在一起，形成一种平衡现象中不存在的物质状态——一系列的粒子会显示出一种前所未有的微妙关系，并且会随着时间重复一种模式。

这个提议引起了圣巴巴拉加利福尼亚大学的切坦·纳亚克和他的同事们的注意，他们认为这种奇怪而不平衡的物质形式也是时间晶体。然而，这不是纳亚克的导师威尔切克的版本。它不是处于最低能量状态，需要有规律的外力来实现脉冲。但是它会有一个与外力不匹配的稳定节奏，这意味着它会打破时间的对称性。

“就像玩跳绳一样。当我们的手臂摇动两次时，绳子只摇动一次。”姚说道。这种对称的断裂比威尔切克的版本要弱，威尔切克的版本中绳索会自行振动。

当门罗听说这个提议的系统时，他起初无法理解。"我读得越多，就越感到困惑。"他说。去年，他开始尝试将他的原子整合到时间晶体中。这意味着激光交替发射到10个镱离子链上。第一激光器旋转它们，第二激光器以随机方式相互作用。这种结合导致原子旋转和振荡，但速度是它们被撞击周期的两倍。

此外，研究人员发现，即使他们开始以一种不完美的方式撞击系统，振动频率仍然保持不变，只是稍微改变了施加力的频率。"系统仍然锁定在一个非常稳定的频率上."门罗说。他说空间晶体也能抵抗任何将它们的原子推出设定空间的企图。"这一次水晶也有同样的现象."

在哈佛大学，物理学家米哈伊尔·卢金正试图做一个类似的实验，但是是在一个完全不同的系统中——一颗三维钻石。这颗钻石含有近一百万种杂质，每一种都在旋转。钻石中的杂质会造成自然失调。当卢金和他的团队用微波脉冲旋转它时，他们发现系统频率会以一种受干扰的方式轻微响应。

物理学家一致认为，这两个系统自发地打破了时间对称性，从而在数学上完成了时间晶体的标准。然而，关于它们是否应该被称为时间晶体，仍然有一些争论。"这是一个有趣的发展，但在某种程度上，这是对这个词的滥用."大川说。

姚说，新系统是一个时间晶体，但它的定义需要缩小，以避免不包括已经很好理解，但量子物理学家不感兴趣的现象。

丰富的能力空间

然而，姚说，门罗和卢金在他们的创新中有不同的兴奋点。它们似乎是相对未探索的不平衡中大量新阶段的第一个，也可能是最简单的情况。它们也可能有几个实际应用。其中之一可能是在高温下运行的量子模拟系统。物理学家经常使用纳米开尔文温度(接近绝对零度)下的纠缠量子粒子来模拟无法在经典计算机上模拟的材料的复杂行为。时间晶体代表了高于这个温度的稳定量子系统。在卢金的钻石案例中，它是在室温下，这可能为非低温条件下的量子模拟打开了大门。

卢金说，时间晶体也将用于超精密传感器。他的实验室已经在使用钻石瑕疵来观察温度和磁场的细微变化。然而，这种方法有其局限性，因为如果在一个小空间中存在太多的缺陷，它们的相互作用将破坏它们脆弱的量子态。然而，在时间晶体中，这种相互作用可以稳定它们而不是干扰它们，因此卢金可以结合数百万个缺陷形成强信号，这可以有效地探索活细胞和具有原子厚度的材料。

姚说，相互作用稳定性原理也可以更广泛地应用于量子计算。量子计算机已经显示出巨大的潜力，但是它们一直面临着保护脆弱的量子位的挑战，这些量子位在编码和读取信息时执行操作。"你可以问自己，你是否能在未来找到稳定这些量子位模式的相互作用."姚说道。

德国马克斯·普朗克物理复杂系统研究所所长罗德里克·莫斯纳说，时间晶体的故事是一个美丽的例子，展示了不同的想法是如何结合在一起取得进步的。他说，这种特殊的“配方”很可能只是“烹饪”时间水晶的众多方法之一。(晋南编)

中国科学新闻(2017-04-19第三版国际版)