克里斯托弗·門羅一生都在用光來觸碰原子。他將它們排列成環狀和鏈狀，然後用雷射按摩它們，以探索它們的性質並製造基本的量子計算機。去年，他決定嘗試一些看似不可能的事情：創造一個時間晶體。
這個名字聽起來像是來自《神秘博士》的道具，但它根植於實際的物理學。時間晶體是假設的結構，無需任何能量就能脈衝——就像一個永遠不需要上弦的滴答作響的鐘表。該模式在時間上重複，就像晶體的原子在空間中重複一樣。這個想法是如此具有挑戰性，以至於當諾貝爾獎得主物理學家弗蘭克·維爾切克在2012年提出這個挑釁性的概念時，其他研究人員很快證明了不可能創造時間晶體。
但有一個漏洞——一個單獨的物理學分支的研究人員找到了一種利用這個漏洞的方法。門羅是馬里蘭大學帕克分校的物理學家，他的團隊利用他們為其他目的構建的原子鏈製造了一個時間晶體的版本。“我會說它有點像從天而降，”門羅說。
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哈佛大學在馬薩諸塞州劍橋市的研究人員領導的一個小組，也獨立地用“髒”鑽石製造了時間晶體。這兩個版本都發表在本週的《自然》雜誌上，它們被認為是時間晶體，但與維爾切克最初的設想不同。“它不如第一個想法那麼奇怪，但仍然非常奇怪，”加州大學伯克利分校的物理學家、兩篇論文的作者諾曼·姚說。
它們也是一種非凡物質的第一個例子——量子粒子的集合不斷變化，永遠不會達到穩定狀態。這些系統從隨機的相互作用中獲得穩定性，而這些相互作用通常會破壞其他型別的物質。“這是一種新的秩序，一種以前被認為不可能的秩序。這非常令人興奮，”哈佛團隊的成員、之前是最初提出這種新型狀態存在理論的團隊成員的韋迪卡·凱瑪尼說。實驗物理學家已經在計劃如何利用這些奇怪系統在量子計算機和超靈敏磁感測器中的特性。
休息時間
維爾切克夢想著時間晶體是打破規則的一種方式。物理定律是對稱的，因為它們同樣適用於空間和時間中的所有點。然而，許多系統違反了這種對稱性。在磁鐵中，原子自旋排列而不是指向所有方向。在礦物晶體中，原子佔據空間中的設定位置，如果稍微移動晶體，它看起來就不一樣了。當轉換導致屬性改變時，物理學家稱之為對稱性破缺，它在自然界中無處不在——它是磁性、超導性，甚至賦予所有粒子質量的希格斯機制的根源。
2012年，現在在斯德哥爾摩大學的維爾切克想知道為什麼對稱性從未在時間上自發地破缺，以及是否有可能創造出某種對稱性破缺的東西。他稱之為時間晶體。實驗人員想象這種實體的量子版本可能是一個原子環，它會無休止地旋轉，迴圈並返回其初始配置。它的特性會在時間上無休止地同步，就像原子位置在晶體中相關聯一樣。該系統將處於其最低能量狀態，但其運動不需要外力。本質上，它將是一臺永動機，儘管不是一臺產生可用能量的永動機。
“從第一眼看到這個想法，人們會說這一定是錯誤的，”姚說。幾乎根據定義，處於最低能量狀態的系統不會隨時間變化。姚說，如果它發生了變化，那就意味著它有多餘的能量可以失去，旋轉很快就會停止。“但弗蘭克讓科學界相信，這個問題比看起來的要微妙，”他說。永動機在量子世界中並非沒有先例：從理論上講，超導體永遠導電（儘管流動是均勻的，因此它們在時間上沒有變化）。
當渡邊春樹走出他在伯克利的博士學位第一次口頭考試時，這些相互衝突的問題在他腦海中盤旋。他一直在介紹關於空間中對稱性破缺的工作，他的導師問他維爾切克的時間晶體更廣泛的含義。“我無法在考試中回答這個問題，但我對此很感興趣，”渡邊說，他懷疑這樣的實體是否可行。“我想知道，‘我怎麼才能說服人們這是不可能的？’”
渡邊與東京大學的物理學家押川正毅一起，開始嘗試以數學上嚴謹的方式證明他直觀的答案。透過從系統遠處的部分之間空間和時間的相關性來表達問題，兩人在2015年推匯出了一個定理，表明不可能為處於最低能量狀態的任何系統建立時間晶體。研究人員還證實，對於處於平衡狀態的任何系統——即達到任何能量穩定狀態的系統，時間晶體也是不可能存在的。
對於物理學界來說，情況很明確。“這似乎是行不通的，”門羅說。但該證明留下了一個漏洞。它並沒有排除尚未進入穩定狀態且處於非平衡狀態的系統中的時間晶體。在世界各地，理論家們開始思考創造時間晶體替代版本的方法。
粒子湯
當突破出現時，它來自物理學中一個不太可能的角落，那裡的研究人員根本沒有考慮時間晶體。
新澤西州普林斯頓大學的理論物理學家希瓦吉·桑迪和他的同事們正在研究當由相互作用粒子湯組成的某些孤立的量子系統反覆受到衝擊時會發生什麼。教科書物理學認為，系統應該升溫並陷入混亂。但桑迪的團隊在 2015 年預測，在某些條件下，它們會聚集在一起形成一種不存在於平衡狀態的物質相——一種以前從未見過的顯示微妙相關性的粒子系統——並且會在時間上重複一種模式。
該提議引起了維爾切克的前學生、現在在加州大學聖巴巴拉分校和微軟附近的 Q 站的切坦·納亞克的注意。納亞克和他的同事們很快意識到，這種奇怪的非平衡物質形式也將是一種時間晶體。但不是維爾切克的那種：它不會處於其最低能量狀態，並且需要定期脈衝衝擊。但它會獲得一種穩定的節奏，與引發衝擊的節奏不匹配，這意味著它會打破時間對稱性。
“這就像玩跳繩，不知何故，我們的手臂轉了兩圈，但繩子只轉了一圈，”姚說。這是一種比維爾切克想象的更弱的對稱性破缺：在他的設想中，繩子會自己振盪。
當門羅聽到這個提議的系統時，他最初並不理解。“我讀得越多，我就越感興趣，”他說。
去年，他著手將原子形成時間晶體。配方非常複雜，但只有三個基本要素：反覆擾亂粒子的力、使原子彼此相互作用的方法以及隨機無序的元素。門羅說，這些組合確保了粒子吸收的能量受到限制，從而使它們能夠保持穩定的有序狀態。
在他的實驗中，這意味著反覆用交替雷射照射十個鐿離子鏈：第一個雷射翻轉它們的自旋，第二個雷射使自旋以隨機方式相互作用。這種組合導致原子自旋振盪，但週期是它們被翻轉的兩倍。更重要的是，研究人員發現，即使他們開始以不完美的方式翻轉系統，例如稍微改變衝擊的頻率，振盪仍然保持不變。“系統仍然鎖定在一個非常穩定的頻率上，”門羅說。他說，空間晶體也同樣能夠抵抗任何試圖將其原子從其設定間距中推開的嘗試。“這個時間晶體也具有相同的東西。”
在哈佛大學，物理學家米哈伊爾·盧金試圖做類似的事情，但在一個非常不同的系統中——一塊 3D 鑽石。這種礦物中充滿了大約 100 萬個缺陷，每個缺陷都具有自旋。鑽石的雜質提供了自然的無序性。當盧金和他的團隊使用微波脈衝翻轉自旋時，他們看到系統以其被擾亂的頻率的一小部分做出響應。
物理學家一致認為，這兩個系統自發地打破了一種時間對稱性，因此在數學上滿足了時間晶體的標準。但關於是否稱它們為時間晶體存在一些爭議。“這是一個有趣的進展，但在某種程度上，這是對該術語的濫用，”押川說。
姚說，新系統是時間晶體，但需要縮小定義範圍，以避免包括那些已經得到很好理解並且對於量子物理學家來說並沒有那麼有趣的現象。
但姚說，門羅和盧金的創造之所以令人興奮，還有其他原因。他說，它們似乎是第一批，也許也是最簡單的例子，它們存在於相對未開發的非平衡狀態中的大量新相。它們也可能具有多種實際應用。一種可能是可以在高溫下工作的量子模擬系統。物理學家經常在接近絕對零度的納開爾文溫度下使用糾纏的量子粒子來模擬無法在經典計算機上建模的材料的複雜行為。時間晶體代表了一種穩定量子系統，該系統存在於高於這些溫度的情況下——在盧金的鑽石情況下，在室溫下——可能打開了無需低溫的量子模擬的大門。
盧金表示，時間晶體也可能應用於超精密感測器。他的實驗室已經利用金剛石缺陷來檢測溫度和磁場的微小變化。但是這種方法有侷限性，因為如果在一個小空間內堆積過多的缺陷，它們的相互作用會破壞它們脆弱的量子態。然而，在時間晶體中，相互作用起到穩定作用，而不是破壞作用。因此，盧金可以將數百萬個缺陷組合在一起，產生一個強大的訊號，從而能夠有效地探測活細胞和原子級薄的材料。
姚表示，這種透過相互作用實現穩定性的原則可以更廣泛地應用於量子計算。量子計算機展現出巨大的潛力，但長期以來一直在保護執行計算的脆弱量子位元和保持它們可用於編碼和讀取資訊這兩個相互矛盾的挑戰中掙扎。“你可以思考未來是否能找到一些相互作用可以穩定這些量子位元的相態，”姚說。
德國德累斯頓馬克斯·普朗克複雜系統物理研究所所長羅德里奇·莫斯納表示，時間晶體的故事是不同思想線索匯聚在一起時如何推動進步的美麗例證。他認為，可能這種特定的配方只是製造時間晶體的眾多方法之一。
本文經許可轉載，首次發表於2017年3月8日。