物理学家们创造了一个由两个连接的时间晶体组成的系统，这些时间晶体是奇怪的量子系统，它们陷入永无止境的循环中，正常的熱力学定律不适用于它们。通过将两个时间晶体连接在一起，物理学家们希望利用这项技术最终构建一种新型的量子计算机。
“探索一种全新的物质状态是一种罕见的特权，”来自英国兰卡斯特大学的项目首席科学家萨穆利·奥蒂在给Live Science的一封电子邮件中说。
从晶体到时间晶体
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我们在日常生活中随时都会遇到普通晶体，从鸡尾酒中的冰块到珠宝中的钻石。虽然晶体很漂亮，但对于物理学家来说，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。这意味着引力或电磁学或量子力学的基本方程在宇宙的整个体积中都同样适用。它们在任何方向上也有效。因此，旋转90度的实验室实验应该产生相同的结果（当然，所有其他条件都相同）。
但在晶体中，这种美妙的对称性被打破了。晶体的分子以首选方向排列自身，形成重复的空间结构。在物理学家的行话中，晶体是“自发对称性破缺”的完美例子——物理学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·维尔切克注意到，物理定律也具有时间对称性。这意味着在稍后的时间重复的任何实验都应该产生相同的结果。维尔切克将时间对称性类比为普通晶体，但在时间维度上，将这种通过时间的自发对称性破缺称为时间晶体。几年后，物理学家最终成功制造出了时间晶体。
量子秘密
“时间晶体不断运动，并在没有外部鼓励的情况下在时间上周期性地重复自身，”奥蒂说。这之所以成为可能，是因为时间晶体处于其最低能量状态。量子力学的基本规则阻止了运动完全静止下来，因此时间晶体仍然“卡”在永无止境的循环中。
“这意味着它们是永动机，因此是不可能的，”奥蒂评论道。
热力学定律表明，处于平衡状态的系统倾向于熵增或无序——一杯咖啡放久了总是会变冷，一个摆钟最终会停止摆动，滚在地上的球最终会停下来。但是时间晶体无视或只是忽略了这一点，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支配，量子力学是控制亚原子粒子动物园的规则。
“在量子物理学中，只要我们闭上眼睛，永动机就可以正常工作，而且只有当我们观察到运动时，它才会开始减速，”奥蒂说，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（例如，如果我们观察它们）就无法继续运行。
这意味着物理学家无法直接观察时间晶体。当他们试图观察时间晶体的那一刻，允许它们存在的量子规则就会崩溃，时间晶体就会戛然而止。这个概念超越了观察：任何与外部环境的足够强烈的相互作用，破坏了时间晶体的量子态，都会使其停止作为时间晶体存在。
这就是奥蒂的团队介入的地方，他们试图找到一种通过经典观察与量子时间晶体相互作用的方法。在最小的尺度上，量子物理学占据主导地位。但是，对于虫子、猫、行星和黑洞，用经典力学的确定性规则来描述它们更好。
“从量子物理学到经典物理学的连续体仍然知之甚少。一个如何变成另一个是现代物理学的突出谜团之一。时间晶体跨越了两个世界之间界面的某个部分。也许我们可以通过详细研究时间晶体来学习如何消除界面，”奥蒂说。
神奇的磁振子
在新的研究中，奥蒂和他的团队使用“磁振子”构建了他们的时间晶体。磁振子是“准粒子”，它们出现在一群原子的集体状态中。在这种情况下，物理学家团队采用了氦-3——一种有两个质子但只有一个中子的氦原子——并将其冷却到高于绝对零度万分之一度的范围内。在那个温度下，氦-3转变成玻色-爱因斯坦凝聚态，其中所有原子共享一个共同的量子态，并彼此协调工作。
在该凝聚态中，氦-3中电子的所有自旋都连接起来并协同工作，产生磁能波，即磁振子。这些波永远来回晃动，使它们成为时间晶体。
奥蒂的团队取了两组磁振子，每组磁振子都作为自己的时间晶体运行，并将它们靠得足够近以相互影响。磁振子的组合系统充当一个具有两种不同状态的时间晶体。
奥蒂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。他们的目标是构建能够与其环境相互作用而量子态不会瓦解的时间晶体，从而使时间晶体能够在用于其他用途时保持运行。这并不意味着免费能源——与时间晶体相关的运动在通常意义上没有动能，但它可以用于量子计算。
拥有两种状态很重要，因为这是计算的基础。在经典计算机系统中，信息的基本单位是比特，它可以取0或1状态，而在量子计算中，每个“量子比特”可以同时处于多个位置，从而实现更强大的计算能力。
“这可能意味着时间晶体可以用作在实验室外也能工作的量子设备的构建块。在这样的冒险中，我们现在创建的双能级系统将是一个基本的构建块，”奥蒂说。
这项工作目前离可用的量子计算机还很遥远，但它确实开辟了有趣的研究途径。如果科学家能够操纵双时间晶体系统而不破坏其量子态，他们就有可能构建更大的时间晶体系统，作为真正的计算设备。
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