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不得不承认，时间水晶这个名字可能会让人想起一些神奇的东西，比如魔法水晶球或者某种时间旅行装置。但是时间晶体是真实存在的，虽然在某些方面有点像魔法。
时间晶体的概念最早是由诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克提出的。它们实际上是粒子的独特排列，可以在时间和空之间永久往复运动。
在最近的一项研究中，两名澳大利亚科学家在最先进的量子计算机上观察了超导量子位上的57个离散时间晶体。这是继去年谷歌团队之后，第二个在量子计算机上成功创建时间晶体的研究。这篇论文最近发表在《科学进展》上。
时间晶体
时间晶体如此有价值是因为它们是物质的新阶段。它们不是处于平衡或稳定状态，而是在各种状态之间切换。
岩盐、钻石等固体晶体是通过其原子在空之间的排列和重复来定义的。与这些日常的“空晶体”相比，时间晶体是一个在时间和空之间重复的粒子系统。
此外，它们的状态几乎非常接近挑战物理定律的边缘，因为它们在某种程度上是“永动机”。时间水晶会自发地永久地在两种不同的配置之间来回切换。之所以“几乎”违反物理定律，是因为虽然普遍认为熵增过程中总会耗散运动的能量，但实际上并没有能量耗散，因为我们无法从时间晶体的永动机中提取能量。
为了更好的理解这里的陌生，我们可以用一个日常场景来类比。烘焙时，我们把面粉和糖放在碗里。当它们被搅拌在一起时，熵不断增加，物质变得更加无序，以至于它不再是面粉和糖，而是两者的混合物。
现在，让我们想象一个熵不会增加的场景。无论你将两者混合多久，所有的面粉总是在碗的一边，而糖仍然在另一边。时间晶体就像这样一个不可能的系统，面粉和糖永远不会混合，也就是熵随着时间的推移保持静止。这就是为什么全世界的物理学家都对时间晶体感到兴奋。
然而，构建时间晶体并不是那么简单，需要满足许多要求。为了避免热化，即面粉和糖随着熵的增加而混合，时间晶体的每一个成分都必须与环境隔离，否则热振动总是会破坏时间晶体系统。
这听起来很难，但实际上已经有一种机器的部件需要尽可能隔离，那就是量子计算机。
量子计算机
与时间晶体类似，量子计算机使用独特的粒子系统来创建可用于处理数据的量子状态。分离脆弱量子态的一种常用技术是将它们保持在非常低的温度下。
去年，来自谷歌和一些机构的研究人员成为第一个使用量子计算机创建时间晶体的团队，并于2021年11月在《自然》杂志上发表了他们的研究。现在，在新的研究中，墨尔本大学的物理学家菲利普·弗雷和斯蒂芬·雷切尔也在量子计算机中观察到了他们的时间晶体。
这两位科学家通过墨尔本大学的IBM量子中心获得了在线访问，因此他们可以访问IBM量子计算机的最佳性能部分。
把量子计算机变成时间晶体也符合其他方面的要求。例如，可以准备系统的初始状态。量子位“0”和“1”的状态可以看作是“面粉和糖”。0和1的不同配置是普通计算机信息处理的基础，但在量子计算机中，量子比特可以是0和1的唯一叠加态，从而加强信息处理和计算的能力。
虽然在IBM量子计算机上的量子模拟仍然存在一些噪声、缺陷或干扰，这也证实了目前所有的量子计算机都只是原型，但在研究中仍然观察到了一个时间晶体，其中量子比特的配置不断重复。
在65量子位芯片中，57量子位用于模拟DTC。|图片来源:科学进展
迷人的应用前景
这种奇特的量子系统本身就很吸引人，同时时间晶体也有明显的应用。因为重复配置，这个系统永远不会失去记忆。也就是说，它永远不会忘记这个初始状态。这意味着时间晶体有潜力构成一个完美的量子存储器件。
同时，虽然量子计算机已经被预言有很多应用前景，但这项研究反映了物理学家理查德·费曼30年前的预言——利用量子计算机进行基础物理研究。
但是作为一种新的物质相，关于时间晶体还有很多知识有待了解。我们知道的越多，他们的应用就越有吸引力。量子计算机作为创造和研究时间晶体的手段，必将在这场新的量子竞赛中加速科学家的理解。
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