圖蟲創意

愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有一個維度就是時間。既然我們生活周圍有這么多在三維空間上結晶的物體，是不是也存在著在時間上結晶的物質呢？這應該是一個很自然的設問。不過直到諾貝爾物理獎獲得者維爾切克（Wilczek）之前，還沒有人提出這個設問并給出答案。

時間晶體源自諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）2012年提出的大膽設問：是否存在一種物質，當其處于基態附近時，在時間維度上會自發出現周期性變化，就像空間晶體在空間維度上自發出現周期性重復一樣。

要理解時間晶體這種全新的物質，讓我們從常見的晶體說起。在我們的生活中，有很多天然具有規則形狀的晶體物質，比如說六角形的雪花，晶瑩剔透的水晶，璀璨奪目的鉆石等。我們知道，隨著溫度的不同，水具有氣態、液態、固態三種不同的形態。之所以有這么大的區別，是因為隨著溫度的降低，水分子的運動越來越慢，在冰點之下就自發地凝結起來了，形成了周期性的有序結構。這一過程也被稱為空間平移對稱性自發破缺。

維爾切克接受記者采訪時說，他最初是在上晶體這個課程時想到了時間晶體這個概念的。如果與空間晶體類比，那么時間晶體就可以定義為在時間軸上自發地周期性變化的一類物質。量子時間晶體的概念出現后，很快引發了巨大的爭議。有人發表論文認為，在熱力學極限下，基態附近的量子時間晶體是無法出現的。

對時間晶體的爭議雖然很大，但其核心概念“時間平移對稱性的自發破缺”非常吸引人，能否找到一個物理系統演示出這個效應？為了避開那些“行不通定律”，人們開始考慮非平衡態的動力學行為？2016年，人們提出了周期性驅動時間晶體，或者離散時間晶體的概念。

離散時間晶體是很奇怪的一個系統，對它進行周期性驅動，由于所謂多體局域化效應（Many-body localization）或者預熱化(prethermalization)效應，將會長期的處于一個非平衡態。此狀態也是周期性的，但是其周期比驅動場的周期T要長，是nT，這里的n是大于1的整數。由于系統的時間平移不變性單位是nT，比驅動場的周期T要長，所以系統出現了時間平移不變性的破缺。做一個形象的類比，我們敲一個離散晶體鼓N下，結果它只發出N/n次聲音。由于離散時間晶體不要求系統處于量子基態附近，相對而言實驗驗證較為容易，因此很快就在離子阱系統和金剛石色心系統中得到了驗證。

離散時間晶體做出來后，給了人們很大的信心。一部分科學家在進一步探索不同的物理模型中，周期性驅動下能否出現離散時間晶體現象，甚至連時間準晶體都有人進行了探索。準晶體是一種很有趣的物態：它在空間中是有序的，但是卻沒有固定的周期。準晶體的發現是對傳統晶體理論的重要推廣和補充。類似的，在周期驅動時，如果系統自發的出現兩種比驅動頻率更低的運動，且這兩種運動頻率之比為無理數，從而使得此系統自發破缺后所展現的運動不具有周期性，我們就稱之為時間準晶體。

2025年3月12日，美國華盛頓大學祖充教授課題組與麻省理工學院和哈佛大學等團隊合作，在《物理評論X》上發表論文《離散時間準晶的物理實現》，報道了在金剛石氮-空位缺陷系統中，通過施加兩種頻率的驅動，實現了離散時間準晶體的實驗。他們所施加驅動的頻率之比為 （黃金比例），在金剛石色心中激發的兩種頻率正好是驅動頻率的一半，其頻率之比也是無理數。他們發現這種效應對于驅動微波功率的漲落是很穩定的，這恰恰就是時間晶體多體效應所特有的。

實驗中所利用的是緩慢的臨界熱化效應，其離散時間準晶壽命并不是無窮大的。未來可以基于更穩定的多體局域化效應來實現壽命趨于無窮大的離散時間準晶體。這個系統未來有望用于精密的信號處理，特別是有望同時承載多個頻率基準，使得基于離散時間晶體的量子精密測量應用場景更為寬廣。

在精密測量之外，時間晶體也有望用于量子計算。2012年，維爾切克教授曾設想未來有一天，隨著技術的高度發展，我們可以對時間晶體進行編程，設計出復雜的周期運動回路，代表不同的比特，以及比特間的運算。維爾切克教授甚至還做出了富有科幻色彩的構想：“把我們的人腦意識上傳到這個時空晶體中。這種攜帶了人腦意識的時間晶體可以稱之為時光膠囊，我們可以把自己一生中最美好最難忘的回憶和感受存在其中。擁有了這樣的時光膠囊，即使地老天荒，即使宇宙熱寂，我們那些美妙的情感仍舊永存。”

這種構想似乎要遙遠的未來才能實現。但最近隨著量子計算的發展，真有可能成為現實。2022年，美國谷歌公司在超導量子電路中完成了離散時間晶體的實驗，在多體局域化相區域內模擬了離散時間晶體效應。在此基礎上，最近筆者發現時間晶體可以輔助人們實現更高效的量子機器學習算法，加速量子人工智能落地。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：尹璋琦 北京理工大學教授

審核：祖充 華盛頓大學圣路易斯 教授

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 科普中國創作培育計劃

內容資源由項目單位提供