物理學家們創造了一個由兩個連線的時間晶體組成的系統，這些時間晶體是奇怪的量子系統，它們陷入永無止境的迴圈中，正常的熱力學定律不適用於它們。透過將兩個時間晶體連線在一起，物理學家們希望利用這項技術最終構建一種新型的量子計算機。
“探索一種全新的物質狀態是一種罕見的特權，”來自英國蘭卡斯特大學的專案首席科學家薩穆利·奧蒂在給Live Science的一封電子郵件中說。
從晶體到時間晶體
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我們在日常生活中隨時都會遇到普通晶體，從雞尾酒中的冰塊到珠寶中的鑽石。雖然晶體很漂亮，但對於物理學家來說，它們代表了自然界正常對稱性的破壞。
物理定律在空間中是對稱的。這意味著引力或電磁學或量子力學的基本方程在宇宙的整個體積中都同樣適用。它們在任何方向上也有效。因此，旋轉90度的實驗室實驗應該產生相同的結果（當然，所有其他條件都相同）。
但在晶體中，這種美妙的對稱性被打破了。晶體的分子以首選方向排列自身，形成重複的空間結構。在物理學家的行話中，晶體是“自發對稱性破缺”的完美例子——物理學的基本定律仍然是對稱的，但分子的排列卻不是。
2012年，麻省理工學院的物理學家弗蘭克·維爾切克注意到，物理定律也具有時間對稱性。這意味著在稍後的時間重複的任何實驗都應該產生相同的結果。維爾切克將時間對稱性類比為普通晶體，但在時間維度上，將這種透過時間的自發對稱性破缺稱為時間晶體。幾年後，物理學家最終成功製造出了時間晶體。
量子秘密
“時間晶體不斷運動，並在沒有外部鼓勵的情況下在時間上週期性地重複自身，”奧蒂說。這之所以成為可能，是因為時間晶體處於其最低能量狀態。量子力學的基本規則阻止了運動完全靜止下來，因此時間晶體仍然“卡”在永無止境的迴圈中。
“這意味著它們是永動機，因此是不可能的，”奧蒂評論道。
熱力學定律表明，處於平衡狀態的系統傾向於熵增或無序——一杯咖啡放久了總是會變冷，一個擺鐘最終會停止擺動，滾在地上的球最終會停下來。但是時間晶體無視或只是忽略了這一點，因為熱力學規則似乎不適用於它。相反，時間晶體受量子力學支配，量子力學是控制亞原子粒子動物園的規則。
“在量子物理學中，只要我們閉上眼睛，永動機就可以正常工作，而且只有當我們觀察到運動時，它才會開始減速，”奧蒂說，他指的是時間晶體所需的奇異量子力學狀態一旦與環境相互作用（例如，如果我們觀察它們）就無法繼續執行。
這意味著物理學家無法直接觀察時間晶體。當他們試圖觀察時間晶體的那一刻，允許它們存在的量子規則就會崩潰，時間晶體就會戛然而止。這個概念超越了觀察：任何與外部環境的足夠強烈的相互作用，破壞了時間晶體的量子態，都會使其停止作為時間晶體存在。
這就是奧蒂的團隊介入的地方，他們試圖找到一種透過經典觀察與量子時間晶體相互作用的方法。在最小的尺度上，量子物理學佔據主導地位。但是，對於蟲子、貓、行星和黑洞，用經典力學的確定性規則來描述它們更好。
“從量子物理學到經典物理學的連續體仍然知之甚少。一個如何變成另一個是現代物理學的突出謎團之一。時間晶體跨越了兩個世界之間介面的某個部分。也許我們可以透過詳細研究時間晶體來學習如何消除介面，”奧蒂說。
神奇的磁振子
在新的研究中，奧蒂和他的團隊使用“磁振子”構建了他們的時間晶體。磁振子是“準粒子”，它們出現在一群原子的集體狀態中。在這種情況下，物理學家團隊採用了氦-3——一種有兩個質子但只有一箇中子的氦原子——並將其冷卻到高於絕對零度萬分之一度的範圍內。在那個溫度下，氦-3轉變成玻色-愛因斯坦凝聚態，其中所有原子共享一個共同的量子態，並彼此協調工作。
在該凝聚態中，氦-3中電子的所有自旋都連線起來並協同工作，產生磁能波，即磁振子。這些波永遠來回晃動，使它們成為時間晶體。
奧蒂的團隊取了兩組磁振子，每組磁振子都作為自己的時間晶體執行，並將它們靠得足夠近以相互影響。磁振子的組合系統充當一個具有兩種不同狀態的時間晶體。
奧蒂的團隊希望他們的實驗能夠闡明量子物理學和經典物理學之間的關係。他們的目標是構建能夠與其環境相互作用而量子態不會瓦解的時間晶體，從而使時間晶體能夠在用於其他用途時保持執行。這並不意味著免費能源——與時間晶體相關的運動在通常意義上沒有動能，但它可以用於量子計算。
擁有兩種狀態很重要，因為這是計算的基礎。在經典計算機系統中，資訊的基本單位是位元，它可以取0或1狀態，而在量子計算中，每個“量子位元”可以同時處於多個位置，從而實現更強大的計算能力。
“這可能意味著時間晶體可以用作在實驗室外也能工作的量子裝置的構建塊。在這樣的冒險中，我們現在建立的雙能級系統將是一個基本的構建塊，”奧蒂說。
這項工作目前離可用的量子計算機還很遙遠，但它確實開闢了有趣的研究途徑。如果科學家能夠操縱雙時間晶體系統而不破壞其量子態，他們就有可能構建更大的時間晶體系統，作為真正的計算裝置。
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