打破了物理常识的时间晶体，会是量子计算机的救世主吗？

Posted 2020-11-03

我们对于“时间”这个词好像有种执念，对于人类来说，时间代表着一种不可抗拒、无处可逃的力量。世间万物，除了时间自己之外，没有什么是永恒的。所以那些接近永恒的事物，总会受到我们的追捧，比如“一颗恒久远”的钻石。

但如果告诉你，这世界上有一种物质是超越了时间的存在，比任何现有的宝石、化石、生物冷冻技术都接近“永恒”，你相信吗？

这神乎其神的物质，就是“时间晶体”（Time Crystal）。

永不停止的时间，永远运动的原子

时间晶体的概念，是在2012年由诺贝尔奖得主、麻省理工教授维尔切克首次提出。所谓晶体，就是像冰块、食盐、钻石等等的结晶体，这些晶体内部的原子自发的排列成有序结构，就变成了那些晶莹剔透的、存在于三维空间上的晶体。

而维尔切克提出的时间晶体概念，是存在四维空间上的晶体，内部原子不受外力控制，而是随着时间流逝自发的进行周期性的变化。

举个不太恰当的例子，这就像一杯水在温度完全不变的情况下，每隔十五分钟就会变成冰，然后再融化成水。循环往复，永不停止。

这一理念的提出，可以说是一种对物理学新纪元的展望。

世界中的物质基本都是处于“平衡态”之中的，在没有能量、不受力的情况下无法进行任何运动。又或者说，平衡态物质耗费能量最少的状态，就是一动不动的状态。

时间晶体则是一种非平衡态的物质，在不受外力的作用下仍然是周期运动的状态，而这种周期运动状态也是时间晶体耗费能量最少的状态。这就使时间晶体成为了区别于“动态”与“静态”之外的“颤态”。

时间晶体从哪来？或许在儿童玩具中就能找到

这样看来，所谓的时间晶体似乎给人一种很玄乎的感觉。可在最近几年，有关时间晶体的研究已经从理论步入现实，开始有科学家们陆陆续续的制造出时间晶体。

例如马里兰大学利用激光磁场改变镱离的自旋状态，使其产生自己的震动频率。加州大学伯克利分校的研究人员则选择建立离子陷阱，用静态磁场促使离子运动。而就在最近几天，耶鲁大学的研究人员甚至在磷酸一铵中找到了时间晶体的信号，磷酸一铵则是在“自种水晶”玩具中非常常见的物质。

虽然上述对时间晶体的研究都还是在外力干涉之下改变物质的固有状态，相比理论中的时间晶体，多少都有点货不对板。但这一系列的实验都表明，时间晶体距离我们并不遥远。

如何利用超越时间与熵力的力量？

这种神奇晶体的实际用处，也是吸引科学家们广泛关注的一个原因。在万智牌中，有一张名为“白金皇像”，对于这张牌的解释是“它忽视时间、熵力、死亡这些微不足道的力量”。

这句牛X闪闪的话，简直是时间晶体的最佳Slogan。

时间晶体的运行机制类似于超导体，在极低温的状态下仍然可以运载电流，保持永久性运行。也就是说即使宇宙进入了永远黑暗、永远寒冷的热寂状态，一切物质都无法获得使自身运行的能量，可时间晶体仍然不受影响，继续工作。

在这一特性之下，关于时间晶体的应用价值有着许多猜想。

比如很多人认为永远呈周期性运动的时间晶体是一种永动机，但很快这种说法就被“辟谣”了。因为周期性运动的颤态是时间晶体耗费能量最少的状态，也就无法从这一状态中提取能量。又比如说有人声称时间晶体可以成为“时间胶囊”，永久的保存人的记忆，并且循环播放那些美好时光。实际上这也是一种理想化的猜想，先不提如何在时间晶体上编程，提取记忆这件事我们还没弄明白呢。

从实际角度而言，在短时间内时间晶体有以下三种作用。

第一是在量子模拟上，由于量子计算的相干特性，一些量子模拟研究研究需要在零下两百摄氏度左右的极低温度中才能稳定进行，这就给量子计算的普及带来很大困难。而时间晶体的周期运动特性更加稳定，不受热力影响。可以作为量子模拟系统的元件，让量子模拟运行的成本更低。

第二是在超高灵敏传感器上，传统的传感材料，例如钻石，只能有限的接受温度、磁场等等的变化，如果信息过多就会导致量子态混乱。而时间晶体的稳定特性使其可以接受大量的变化信号，去检测细胞活性、原子层厚度等等的变化。这样稳定的高敏感传感器，会让生物医学产生突飞猛进的发展。

第三是在量子计算机上，制造量子计算机的一大难点就是找到一种材料，既可以大量读写储存，又可以保持恒定运动的量子态。目前看来，稳定的时间晶体拥有绝佳的储存能力，很可能就是最适合的材料。

虽然在今天，我们距离时间晶体的实际应用还有一段不短的距离。但是当基础物理与科技工艺一同发展时，量子计算、记忆储存、生物医学等等方面的突破却距离我们越来越近了。

在不断试图战胜时间的路途中，一次次的推翻这个世界的既定理论。或许这才是人类真正的伟大之处吧。