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時間晶體,直到世界盡頭的浪漫

時間晶體,直到世界盡頭的浪漫

作者:孫小彪
3 月 2 日,Science Advances 上刊發了一篇文章:“Realization of a discrete time crystal on57 qubits of a quantum computer”,墨爾本大學的物理學家菲利普·弗雷(Philipp Frey)和斯蒂芬·瑞秋(Stephan Rachel)在IBM的量子計算機上設計出了 57 個量子比特的時間晶體。

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其實在2021年7月,谷歌就曾聯合一衆科學家利用自家的懸鈴木(Sycamore)量子處理器實現了20個量子比特的時間晶體,并将研究結果發表在 Nature 上。菲利普·弗雷和斯蒂芬·瑞秋在谷歌研究成果的基礎上又做出了重大突破,設計出迄今最大的時間晶體。這項成果的意義在于,它展示了量子計算機對複雜系統的模拟能力,讓那些隻能存在于物理學家腦海中理論模型轉化為客觀實體。

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圖 | 谷歌将時間晶體的研究成果發表在 Nature 上(來源:nature.com)


時間晶體,直到世界盡頭的浪漫

什麼是時間晶體

《三體》中有一段唯美的詩:我捧出給她的禮物,那是一小塊凝固的時間,時間上有美麗的花紋,摸起來像淺海的泥一樣輕柔。在科幻作品中,時間是可以觸碰的實體,是送給戀人的禮物,裡面保存着兩個人的浪漫,直到宇宙盡頭這份浪漫也不會消逝。
時間晶體英文名為 time crystals,也叫時空晶體(space-time crystals),是一種在空間和時間上都有周期性結構的四維晶體。我們日常所接觸的都是固、液、氣三種基本物質形态,但随着科學的發展,物質形态的概念也得到擴展,比如等離子體态、波色-愛因斯坦凝聚态、超臨界流體等。時間晶體是一種全新的物質形态,也是一種打破時間平移對稱性的非平衡态物相。
時間晶體的概念最早是由諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)在 2012 年提出的。三維空間的晶體我們并不陌生,比如冰塊、鑽石等。晶體是微觀粒子在空間上周期性排列的幾何對稱結構。維爾切克在給學生上課時開始思考,能否把三維晶體的概念拓展到四維時空中,讓物質在時間的維度上周期性排列。也就是說,時間晶體在不同時刻具有不同的狀态,并且這種狀态的變化具有周期性。舉個通俗的例子,一個時間晶體可能第一秒是白糖,第二秒是紅糖,第三秒又變回白糖。

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圖 | 弗蘭克·維爾切克(來源:frankawilczek.com)


三維晶體具有空間平移對稱性破缺,與之類比,時間晶體也該也具有時間平移對稱性破缺。所謂空間平移對稱性(symmetry of space translation),是指一個物理系統沿空間某一方向平移任意距離後,物理定律不會改變。簡單來說,就是在不同地方做相同的實驗,得到的結果是相同的。而時間平移對稱性(symmetry of time translation)講的是在不同時間做相同實驗,得到的結果相同。
對稱有高低之分,圓形要比矩形的對稱性高。液态的水是各向同性的,固态的冰是各向異性的,水的對稱性要比冰高。這種高對稱到低對稱的過程就叫對稱破缺。三維晶體要移動整數個晶格常數的距離才具有相同的空間結構,時空晶體也要經過特定的時間才能回到初始狀态。也就是說你在第 1、3、5 等奇數秒看到的是白糖,第 2、4、6 等偶數秒看到的是紅糖,紅糖與白糖之間的差異,就是時間晶體的時間平移對稱性破缺。

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新的永動機?

1918 年,德國女數學家艾米·諾特(Emmy Noether)提出了物理學上意義重大的諾特定理,即每一個對稱性都有一個相關的守恒定律,反之亦然。空間平移對稱性對應動量守恒,空間旋轉對稱性對應角動量守恒,時間平移對稱性對應能量守恒。時間晶體打破了時間平移對稱性,但它并沒有違反能量守恒定律,因為時間晶體即沒有能量輸入,也沒有能量輸出。

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(來源:Pixabay)


時間晶體如同鐘表一樣,秒針經過 60 秒之後會回到原來的位置,并一直循環往複。但鐘表指針的旋轉需要機械能或者電能等外部能量輸入,時間晶體無需外部能量輸入,因為時間晶體處于最小的能量基态。這看起來似乎是矛盾的,時間晶體可以實現時間平移對稱性破缺,這意味着它随着時間不停轉變自身狀态,也就是處于不斷運動的狀态。而物體不斷運動,說明它有額外的能量耗散,直到能量消耗殆盡不再運動為止。
對于一般系統,運動時的能量要比靜止時高;但對于一些特殊系統,運動時的能量反而比靜止時要低,這種系統經過能量耗散,最終會達到不斷運動的基态,這被稱為時間上的自發對稱性破缺(spontaneous symmetry breaking)。
關于自發對稱性破缺有一個經典的例子:假設有一頂墨西哥帽,一個小球靜止在帽頂,小球從帽頂往帽沿滑落時,它往任何方向落的概率都是相等的,此時系統具有旋轉對稱性。一旦小球落下,它隻會往一個方向落,這就破壞了系統原有的對稱性。這種對稱性的破壞不是由物理規律決定的,而是由小球自身的不穩定性引起的,這就是自發對稱性破缺。

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圖 | 墨西哥帽(來源:Pixabay)


時間晶體的這些性質聽起來有點像永動機,但時間晶體的運動是沒有外部能量輸入的,同時它的運動能量也不能對外輸出加以利用,所以時間晶體并非永動機。由于時間晶體處于基态時會持續運動,它可以被用來傳遞信息。當物質處于絕對零度時,周圍的物質都處于靜止的基态,而時間晶體卻以能量更低的基态持續運動。關于這點科學家有個很奇妙的設想,當宇宙不斷熵增,最終達到熱寂狀态時,時間晶體因為處于能量更低的基态,可以依舊維持運動。

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時間晶體的實現

時間晶體理論模型的提出是一回事,實現又是另一回事。時間晶體的概念遭受了很多科學家的質疑,認為它是不可能存在的。2016 年,加州大學伯克利分校的諾曼·姚(Norman Yao)設計出了制造時間晶體的詳細藍圖。姚将他的藍圖比喻為連接理論模型與實驗方法的橋梁。

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圖 | 諾曼·姚關于時間晶體制造方法的論文(來源:journals.aps.org)


根據姚的藍圖,來自馬裡蘭大學和哈佛大學的兩個團隊分别獨立制造出了時間晶體。兩個團隊采用了不同的方法,卻得到了類似的結果,這證實了時間晶體确實是一種全新的物态。
需要指出的是,時間晶體分為連續時間晶體和離散時間晶體。目前所實現的時間晶體都屬于離散時間晶體。連續時間晶體很難實現,目前尚有争議。
瑞秋的時間晶體并不完美,它目前隻能持續 50 個周期。未來,時間晶體可以用于量子計算機中,作為一種存儲方式。或許,時間晶體雖然沒有像漫威電影裡時間寶石那麼科幻,卻能像《三體》中的詩那樣浪漫:她把時間塗滿全身,然後拉起我飛向存在的邊緣。
對于物理學家而言,發現時間晶體就如同發現了新大陸,但這新大陸是沃土還是荒漠,這點尚未可知。
時間晶體的神秘面紗,還需要時間來揭開。 參考資料: [1]https://www.science.org/content/article/physicists-produce-biggest-time-crystal-yet [2]https://www.scientificamerican.com/article/time-crystals-could-be-legitimate-form-perpetual-motion/ [3]https://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals
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