克里斯托弗·门罗一生都在用光来触碰原子。他将它们排列成环状和链状，然后用激光按摩它们，以探索它们的性质并制造基本的量子计算机。去年，他决定尝试一些看似不可能的事情：创造一个时间晶体。
这个名字听起来像是来自《神秘博士》的道具，但它根植于实际的物理学。时间晶体是假设的结构，无需任何能量就能脉冲——就像一个永远不需要上弦的滴答作响的钟表。该模式在时间上重复，就像晶体的原子在空间中重复一样。这个想法是如此具有挑战性，以至于当诺贝尔奖得主物理学家弗兰克·维尔切克在2012年提出这个挑衅性的概念时，其他研究人员很快证明了不可能创造时间晶体。
但有一个漏洞——一个单独的物理学分支的研究人员找到了一种利用这个漏洞的方法。门罗是马里兰大学帕克分校的物理学家，他的团队利用他们为其他目的构建的原子链制造了一个时间晶体的版本。“我会说它有点像从天而降，”门罗说。
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哈佛大学在马萨诸塞州剑桥市的研究人员领导的一个小组，也独立地用“脏”钻石制造了时间晶体。这两个版本都发表在本周的《自然》杂志上，它们被认为是时间晶体，但与维尔切克最初的设想不同。“它不如第一个想法那么奇怪，但仍然非常奇怪，”加州大学伯克利分校的物理学家、两篇论文的作者诺曼·姚说。
它们也是一种非凡物质的第一个例子——量子粒子的集合不断变化，永远不会达到稳定状态。这些系统从随机的相互作用中获得稳定性，而这些相互作用通常会破坏其他类型的物质。“这是一种新的秩序，一种以前被认为不可能的秩序。这非常令人兴奋，”哈佛团队的成员、之前是最初提出这种新型状态存在理论的团队成员的韦迪卡·凯玛尼说。实验物理学家已经在计划如何利用这些奇怪系统在量子计算机和超灵敏磁传感器中的特性。
休息时间
维尔切克梦想着时间晶体是打破规则的一种方式。物理定律是对称的，因为它们同样适用于空间和时间中的所有点。然而，许多系统违反了这种对称性。在磁铁中，原子自旋排列而不是指向所有方向。在矿物晶体中，原子占据空间中的设定位置，如果稍微移动晶体，它看起来就不一样了。当转换导致属性改变时，物理学家称之为对称性破缺，它在自然界中无处不在——它是磁性、超导性，甚至赋予所有粒子质量的希格斯机制的根源。
2012年，现在在斯德哥尔摩大学的维尔切克想知道为什么对称性从未在时间上自发地破缺，以及是否有可能创造出某种对称性破缺的东西。他称之为时间晶体。实验人员想象这种实体的量子版本可能是一个原子环，它会无休止地旋转，循环并返回其初始配置。它的特性会在时间上无休止地同步，就像原子位置在晶体中相关联一样。该系统将处于其最低能量状态，但其运动不需要外力。本质上，它将是一台永动机，尽管不是一台产生可用能量的永动机。
“从第一眼看到这个想法，人们会说这一定是错误的，”姚说。几乎根据定义，处于最低能量状态的系统不会随时间变化。姚说，如果它发生了变化，那就意味着它有多余的能量可以失去，旋转很快就会停止。“但弗兰克让科学界相信，这个问题比看起来的要微妙，”他说。永动机在量子世界中并非没有先例：从理论上讲，超导体永远导电（尽管流动是均匀的，因此它们在时间上没有变化）。
当渡边春树走出他在伯克利的博士学位第一次口头考试时，这些相互冲突的问题在他脑海中盘旋。他一直在介绍关于空间中对称性破缺的工作，他的导师问他维尔切克的时间晶体更广泛的含义。“我无法在考试中回答这个问题，但我对此很感兴趣，”渡边说，他怀疑这样的实体是否可行。“我想知道，‘我怎么才能说服人们这是不可能的？’”
渡边与东京大学的物理学家押川正毅一起，开始尝试以数学上严谨的方式证明他直观的答案。通过从系统远处的部分之间空间和时间的相关性来表达问题，两人在2015年推导出了一个定理，表明不可能为处于最低能量状态的任何系统创建时间晶体。研究人员还证实，对于处于平衡状态的任何系统——即达到任何能量稳定状态的系统，时间晶体也是不可能存在的。
对于物理学界来说，情况很明确。“这似乎是行不通的，”门罗说。但该证明留下了一个漏洞。它并没有排除尚未进入稳定状态且处于非平衡状态的系统中的时间晶体。在世界各地，理论家们开始思考创造时间晶体替代版本的方法。
粒子汤
当突破出现时，它来自物理学中一个不太可能的角落，那里的研究人员根本没有考虑时间晶体。
新泽西州普林斯顿大学的理论物理学家希瓦吉·桑迪和他的同事们正在研究当由相互作用粒子汤组成的某些孤立的量子系统反复受到冲击时会发生什么。教科书物理学认为，系统应该升温并陷入混乱。但桑迪的团队在 2015 年预测，在某些条件下，它们会聚集在一起形成一种不存在于平衡状态的物质相——一种以前从未见过的显示微妙相关性的粒子系统——并且会在时间上重复一种模式。
该提议引起了维尔切克的前学生、现在在加州大学圣巴巴拉分校和微软附近的 Q 站的切坦·纳亚克的注意。纳亚克和他的同事们很快意识到，这种奇怪的非平衡物质形式也将是一种时间晶体。但不是维尔切克的那种：它不会处于其最低能量状态，并且需要定期脉冲冲击。但它会获得一种稳定的节奏，与引发冲击的节奏不匹配，这意味着它会打破时间对称性。
“这就像玩跳绳，不知何故，我们的手臂转了两圈，但绳子只转了一圈，”姚说。这是一种比维尔切克想象的更弱的对称性破缺：在他的设想中，绳子会自己振荡。
当门罗听到这个提议的系统时，他最初并不理解。“我读得越多，我就越感兴趣，”他说。
去年，他着手将原子形成时间晶体。配方非常复杂，但只有三个基本要素：反复扰乱粒子的力、使原子彼此相互作用的方法以及随机无序的元素。门罗说，这些组合确保了粒子吸收的能量受到限制，从而使它们能够保持稳定的有序状态。
在他的实验中，这意味着反复用交替激光照射十个镱离子链：第一个激光翻转它们的自旋，第二个激光使自旋以随机方式相互作用。这种组合导致原子自旋振荡，但周期是它们被翻转的两倍。更重要的是，研究人员发现，即使他们开始以不完美的方式翻转系统，例如稍微改变冲击的频率，振荡仍然保持不变。“系统仍然锁定在一个非常稳定的频率上，”门罗说。他说，空间晶体也同样能够抵抗任何试图将其原子从其设定间距中推开的尝试。“这个时间晶体也具有相同的东西。”
在哈佛大学，物理学家米哈伊尔·卢金试图做类似的事情，但在一个非常不同的系统中——一块 3D 钻石。这种矿物中充满了大约 100 万个缺陷，每个缺陷都具有自旋。钻石的杂质提供了自然的无序性。当卢金和他的团队使用微波脉冲翻转自旋时，他们看到系统以其被扰乱的频率的一小部分做出响应。
物理学家一致认为，这两个系统自发地打破了一种时间对称性，因此在数学上满足了时间晶体的标准。但关于是否称它们为时间晶体存在一些争议。“这是一个有趣的进展，但在某种程度上，这是对该术语的滥用，”押川说。
姚说，新系统是时间晶体，但需要缩小定义范围，以避免包括那些已经得到很好理解并且对于量子物理学家来说并没有那么有趣的现象。
但姚说，门罗和卢金的创造之所以令人兴奋，还有其他原因。他说，它们似乎是第一批，也许也是最简单的例子，它们存在于相对未开发的非平衡状态中的大量新相。它们也可能具有多种实际应用。一种可能是可以在高温下工作的量子模拟系统。物理学家经常在接近绝对零度的纳开尔文温度下使用纠缠的量子粒子来模拟无法在经典计算机上建模的材料的复杂行为。时间晶体代表了一种稳定量子系统，该系统存在于高于这些温度的情况下——在卢金的钻石情况下，在室温下——可能打开了无需低温的量子模拟的大门。
卢金表示，时间晶体也可能应用于超精密传感器。他的实验室已经利用金刚石缺陷来检测温度和磁场的微小变化。但是这种方法有局限性，因为如果在一个小空间内堆积过多的缺陷，它们的相互作用会破坏它们脆弱的量子态。然而，在时间晶体中，相互作用起到稳定作用，而不是破坏作用。因此，卢金可以将数百万个缺陷组合在一起，产生一个强大的信号，从而能够有效地探测活细胞和原子级薄的材料。
姚表示，这种通过相互作用实现稳定性的原则可以更广泛地应用于量子计算。量子计算机展现出巨大的潜力，但长期以来一直在保护执行计算的脆弱量子比特和保持它们可用于编码和读取信息这两个相互矛盾的挑战中挣扎。“你可以思考未来是否能找到一些相互作用可以稳定这些量子比特的相态，”姚说。
德国德累斯顿马克斯·普朗克复杂系统物理研究所所长罗德里奇·莫斯纳表示，时间晶体的故事是不同思想线索汇聚在一起时如何推动进步的美丽例证。他认为，可能这种特定的配方只是制造时间晶体的众多方法之一。
本文经许可转载，首次发表于2017年3月8日。