物理學家在實驗中將兩個時間晶體聯系起來

新的時間晶體研究可以幫助連接經典物理學和量子物理學。

2012年，物理學家弗蘭克·威爾切克（Frank Wilczek）提出了時間晶體的想法。圖片來源：Chuanchai Pundej / EyeEm通過Getty Images

物理學家創造了一個由兩個相連的時間晶體組成的系統，它們是奇怪的量子系統，它們被困在一個無限循環中，熱力學的正常定律不適用。通過將兩個時間晶體連接在一起，物理學家希望利用這項技術最終建造一種新型的量子計算機。

“探索一個全新的物質階段是一種難得的特權，”英國蘭開斯特大學該項目的首席科學家Samuli Autti在一封電子郵件中告訴Live Science。

我們在日常生活中總是會遇到普通的晶體，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、電磁學或量子力學的基本方程同樣適用于整個宇宙。它們也可以在任何方向上工作。因此，實驗室中制造出的90度自旋應該産生相同的結果（當然，在其他條件相同的情況下）。

但在水晶中，這種華麗的對稱性被打破了。晶體的分子在首選方向上排列，形成重複的空間結構。用物理學家的行話來說，晶體是“自發對稱性破壞”的完美例子——物理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·威爾切克（Frank Wilczek）注意到物理定律也具有時間對稱性。這意味著以後重複的任何實驗都應該産生相同的結果。Wilczek將它類比爲普通晶體，但在時間維度上，將這種突破時間的自發對稱稱爲時間晶體。幾年後，物理學家終于能夠建造一個。

Quantum secrets量子秘密

“時間晶體不斷移動，在沒有外部能量的情況下周期性地重複運動，”奧蒂說。這是可能的，因爲時間晶體處于最低能量狀態。量子力學的基本規則阻止運動變得完全靜止，因此時間晶體“卡”在其永無止境的循環中。

“這意味著它們是永動機。”Autti說。

熱力學定律表明，處于平衡狀態的系統趨向于更多的熵或無序——放在外面的咖啡總是會變涼，鍾擺最終會停止擺動，在地上滾動的球最終會停下來。但是時間晶體無視這一點，或者幹脆忽略它，因爲熱力學規則似乎不適用于它。相反，時間晶體受量子力學的約束，量子力學是控制亞原子粒子的有效規則。

“在量子物理學中，我們不去觀察的時候就是永動狀態，只要我們觀察運動，它就會開始減速，”Autti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就無法繼續運行（例如我們觀察它們）。

這意味著物理學家不能直接觀察時間晶體。當他們試圖觀察的那一刻，量子規則就會崩潰，時間晶體將會停止。存在超越了觀察：任何與外部環境産生的相互作用，將打破時間晶體的量子態，都會使它不再是時間晶體。

這就是Autti的團隊的研究方向，試圖通過經典觀測找到一種與量子時間晶體相互作用的方法。在最小的尺度上，量子物理學占主導地位。但是蟲子、貓、行星和黑洞可以用經典力學的確定性規則來描述。

“從量子物理學到經典物理學的連續統一仍然是個謎。如何從一個事物變爲另一個事物，是現代物理學的最傑出的奧秘之一。時間晶體跨越了兩個世界之間的界面。也許我們可以通過詳細研究時間晶體來學習如何去除界面，“Autti說。

Magical magnons神奇的磁振子

在這項新研究中，Autti和他的團隊使用“磁振子”來構建他們的時間晶體。磁振子是“准粒子”，它們以一組原子的集體狀態出現。在這種情況下，物理學家團隊將氦3——一種具有兩個質子但只有一個中子的氦原子——並將其冷卻到絕對零度以上的萬分之一度以內。在那個溫度下，氦-3轉化爲玻色-愛因斯坦凝聚物，其中所有原子共享一個共同的量子態並相互協同工作。

在凝聚物中，氦-3中所有電子的自旋連接在一起並一起工作，産生磁能波，即磁振子。這些波是永久的，它們構成了時間晶體。

Autti的團隊采用了兩組磁振子，每組都是獨立運行的時間晶體，並將它們拉近到足以相互影響的距離。磁振子的組合系統就像一個具有兩種不同狀態的時間晶體。

Autti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系。他們的目標是建造與環境相互作用的時間晶體，而不會使量子態分解，從而使時間晶體能夠在其他用途持續運行。這並不意味著時間晶體可以被用在普通的領域，但它可以用于量子計算。

擁有兩個狀態很重要，因爲這是計算的基礎。在經典計算機系統中，信息的基本單位是一個比特，它可以采用 0 或 1 狀態，而在量子計算中，每個“量子比特”可以同時位于多個位置，從而允許更多的計算能力。

“這可能意味著時間晶體可以用作在實驗室外工作的量子設備的模塊中。在這樣的企業中，我們現在創建的兩級系統將是一個基本的基石，“Autti說。

距離可以正常使用的量子計算機，還差的很遠，但它確實開辟了有趣的研究途徑。如果科學家能夠在不破壞量子態的情況下操縱雙時間晶體系統，他們就有可能建造更大的時間晶體系統，作爲真正的計算設備。

BY:Paul Sutter

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