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物理学家在实验中将两个时间晶体联系起来

新的时间晶体研究可以帮助连接经典物理学和量子物理学。

2012年，物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）提出了时间晶体的想法。图片来源：Chuanchai Pundej / EyeEm通过Getty Images

物理学家创造了一个由两个相连的时间晶体组成的系统，它们是奇怪的量子系统，它们被困在一个无限循环中，热力学的正常定律不适用。通过将两个时间晶体连接在一起，物理学家希望利用这项技术最终建造一种新型的量子计算机。

“探索一个全新的物质阶段是一种难得的特权，”英国兰开斯特大学该项目的首席科学家Samuli Autti在一封电子邮件中告诉Live Science。

我们在日常生活中总是会遇到普通的晶体，从鸡尾酒中的冰块到珠宝中的钻石。虽然晶体很漂亮，但对物理学家来说，它们代表了自然界正常对称性的破坏。

物理定律在空间中是对称的。这意味着引力、电磁学或量子力学的基本方程同样适用于整个宇宙。它们也可以在任何方向上工作。因此，实验室中制造出的90度自旋应该产生相同的结果（当然，在其他条件相同的情况下）。

但在水晶中，这种华丽的对称性被打破了。晶体的分子在首选方向上排列，形成重复的空间结构。用物理学家的行话来说，晶体是“自发对称性破坏”的完美例子——物理的基本定律仍然是对称的，但分子的排列却不是。

2012年，麻省理工学院的物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）注意到物理定律也具有时间对称性。这意味着以后重复的任何实验都应该产生相同的结果。Wilczek将它类比为普通晶体，但在时间维度上，将这种突破时间的自发对称称为时间晶体。几年后，物理学家终于能够建造一个。

Quantum secrets量子秘密

“时间晶体不断移动，在没有外部能量的情况下周期性地重复运动，”奥蒂说。这是可能的，因为时间晶体处于最低能量状态。量子力学的基本规则阻止运动变得完全静止，因此时间晶体“卡”在其永无止境的循环中。

“这意味着它们是永动机。”Autti说。

热力学定律表明，处于平衡状态的系统趋向于更多的熵或无序——放在外面的咖啡总是会变凉，钟摆最终会停止摆动，在地上滚动的球最终会停下来。但是时间晶体无视这一点，或者干脆忽略它，因为热力学规则似乎不适用于它。相反，时间晶体受量子力学的约束，量子力学是控制亚原子粒子的有效规则。

“在量子物理学中，我们不去观察的时候就是永动状态，只要我们观察运动，它就会开始减速，”Autti说。他指的是时间晶体所需的奇异量子力学状态一旦与环境相互作用就无法继续运行（例如我们观察它们）。

这意味着物理学家不能直接观察时间晶体。当他们试图观察的那一刻，量子规则就会崩溃，时间晶体将会停止。存在超越了观察：任何与外部环境产生的相互作用，将打破时间晶体的量子态，都会使它不再是时间晶体。

这就是Autti的团队的研究方向，试图通过经典观测找到一种与量子时间晶体相互作用的方法。在最小的尺度上，量子物理学占主导地位。但是虫子、猫、行星和黑洞可以用经典力学的确定性规则来描述。

“从量子物理学到经典物理学的连续统一仍然是个谜。如何从一个事物变为另一个事物，是现代物理学的最杰出的奥秘之一。时间晶体跨越了两个世界之间的界面。也许我们可以通过详细研究时间晶体来学习如何去除界面，“Autti说。

Magical magnons神奇的磁振子

在这项新研究中，Autti和他的团队使用“磁振子”来构建他们的时间晶体。磁振子是“准粒子”，它们以一组原子的集体状态出现。在这种情况下，物理学家团队将氦3——一种具有两个质子但只有一个中子的氦原子——并将其冷却到绝对零度以上的万分之一度以内。在那个温度下，氦-3转化为玻色-爱因斯坦凝聚物，其中所有原子共享一个共同的量子态并相互协同工作。

在凝聚物中，氦-3中所有电子的自旋连接在一起并一起工作，产生磁能波，即磁振子。这些波是永久的，它们构成了时间晶体。

Autti的团队采用了两组磁振子，每组都是独立运行的时间晶体，并将它们拉近到足以相互影响的距离。磁振子的组合系统就像一个具有两种不同状态的时间晶体。

Autti的团队希望他们的实验能够阐明量子物理学和经典物理学之间的关系。他们的目标是建造与环境相互作用的时间晶体，而不会使量子态分解，从而使时间晶体能够在其他用途持续运行。这并不意味着时间晶体可以被用在普通的领域，但它可以用于量子计算。

拥有两个状态很重要，因为这是计算的基础。在经典计算机系统中，信息的基本单位是一个比特，它可以采用 0 或 1 状态，而在量子计算中，每个“量子比特”可以同时位于多个位置，从而允许更多的计算能力。

“这可能意味着时间晶体可以用作在实验室外工作的量子设备的模块中。在这样的企业中，我们现在创建的两级系统将是一个基本的基石，“Autti说。

距离可以正常使用的量子计算机，还差的很远，但它确实开辟了有趣的研究途径。如果科学家能够在不破坏量子态的情况下操纵双时间晶体系统，他们就有可能建造更大的时间晶体系统，作为真正的计算设备。

BY:Paul Sutter

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