新浪科技訊 北京時間3月16日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，從很多方面來看，科學(xué)家就像偵探一樣，在證據(jù)中搜索蛛絲馬跡、解開一個又一個謎團(tuán)。例如，無論是食用鹽還是水晶，所有晶體都由一堆重復(fù)排列的原子構(gòu)成。只要看一眼能體現(xiàn)出規(guī)律的幾個原子，便可大致推測出其它原子是如何排列的。

　　但如果這樣的規(guī)律不是體現(xiàn)在空間上、而是在時間上呢？如果各個組成部分之間的相互關(guān)系不是“上下左右”、而是“先后”呢？這個反直覺的概念正是時間晶體的基礎(chǔ)，即能夠表現(xiàn)出具有晶體般可預(yù)測的重復(fù)行為的量子系統(tǒng)。2012年，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家、諾獎得主弗蘭克·韋爾切克在理論上首次預(yù)言了時間晶體的存在。在多年的辛苦研究之后，實(shí)驗(yàn)學(xué)家一直到2021年才終于造出了一枚時間晶體。不過，一支物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近取得了另一項(xiàng)重大進(jìn)步：用光線造出了時間晶體。研究報(bào)告于今年二月發(fā)表在了期刊《自然通訊》上。這項(xiàng)研究將使時間晶體從虛無縹緲的奇物、轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的設(shè)備組件。

　　雖然時間晶體的行為會在時間上不斷重復(fù)，但絕不像一臺鐘表那么簡單。鐘表需要外界能量才能運(yùn)行，但對時間晶體而言，像鐘表一樣“滴答滴答”恰恰是它最自然、最穩(wěn)定的狀態(tài)。這與物理學(xué)家所理解的熱力學(xué)平衡剛好相反，即能量一旦進(jìn)入某個系統(tǒng)，最后總會無可避免地走向消散，就像一壺?zé)_后放在室溫下的熱水。而時間晶體就像一壺永遠(yuǎn)處于沸騰狀態(tài)、且永遠(yuǎn)不會冷卻下來的水。從某些定義上來說，時間晶體代表著一種獨(dú)特的新物態(tài)，最顯著的特征就是違反熱力學(xué)平衡定律、狀態(tài)始終不變。這種物質(zhì)就像自帶節(jié)拍器一樣，因此未來或可用在精準(zhǔn)計(jì)時、或量子信息處理等用途上。

　　時間晶體已經(jīng)走出了純理論概念階段，人們已經(jīng)開始探索其技術(shù)應(yīng)用了。但要想讓更多時間晶體走出實(shí)驗(yàn)室、投入實(shí)際應(yīng)用中，研究人員還有一段漫長而艱辛的路要走。要想弄清某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是否產(chǎn)生了時間晶體，一般要么需要極其繁雜、令人望而卻步的實(shí)驗(yàn)裝置，要么得由強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)開展審查。

　　此次研究團(tuán)隊(duì)使用了較為簡單的一種方法，將兩束激光束打入一個直徑一毫米、呈圓盤狀的晶體空腔中。兩束激光會在空腔中來回反彈、不斷相撞。研究人員特意選擇了空腔的形狀，并對激光束的特性加以控制，使得激光反射出的光線產(chǎn)生了任何普通光線都從未形成過的規(guī)律：在空腔內(nèi)部來回反射的激光形成了多個孤立波。這些波具有可以預(yù)測的周期性，并且節(jié)奏完全匹配，因此可以視作一個時間晶體。

　　如果一個迷你版的你拿著光線探測器站在空腔出口處，你探測到的光線強(qiáng)度一開始會呈現(xiàn)出周期性變化，具體情況取決于激光束的自身特性。但到了某一時刻，你探測到的光線強(qiáng)度規(guī)律會突然改變。就像在電視上看電影時、電影突然開始快進(jìn)一樣，而且快進(jìn)的速度似乎是由顯示器中某種看不見的機(jī)制決定的，完全不由你控制。我們也能在這些光波中看出一些周期性特征，但這些周期其實(shí)是激光自帶周期的兩倍、三倍或其它整數(shù)倍。周期的增長說明出現(xiàn)了一個天生便可為自己計(jì)時的量子系統(tǒng)——換句話說，產(chǎn)生了一個以光線為基礎(chǔ)的時間晶體。

　　N這就像將一根線吊掛在鹽水中來培養(yǎng)鹽晶體一樣。調(diào)整激光特性就像調(diào)整你放入鹽水中這根線的結(jié)構(gòu)一樣。無論是激光還是線，作用都只在于幫助晶體形成，但晶體的周期性和重復(fù)規(guī)律則完全由自己決定。

　　此前的研究利用了各式各樣的“基礎(chǔ)構(gòu)件”來打造時間晶體。而此次實(shí)驗(yàn)證明，使用激光制造時間晶體更具有實(shí)際優(yōu)勢。最重要的是，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的時間晶體在相對普通的環(huán)境下也可以正常運(yùn)作。大多數(shù)量子態(tài)物質(zhì)必須在超低溫等極端條件下才能體現(xiàn)出量子特性，一旦離開實(shí)驗(yàn)室，就會變得平平無奇。此次實(shí)驗(yàn)非常重要，因?yàn)樗窃谙鄬^高的溫度下進(jìn)行的，更加接近我們在日常生活中觀察到的各種復(fù)雜過程。

　　此次研發(fā)的時間晶體在現(xiàn)實(shí)世界中表現(xiàn)得十分“強(qiáng)韌”，這個系統(tǒng)也會隨機(jī)地流失能量，也會漸漸產(chǎn)生噪音（就像看電影時電視過熱、屏幕上出現(xiàn)雪花一樣），但這其實(shí)還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般來說，這兩個問題都會試圖破壞系統(tǒng)的晶體性，為避免這類外來擾動，時間晶體一般必須與環(huán)境嚴(yán)格隔絕，但新系統(tǒng)卻在其中找到了平衡。

　　由于能量流逝和噪音通過“密謀”、實(shí)現(xiàn)了互相牽制，此次研發(fā)的時間晶體很有可能在未來被投入實(shí)際應(yīng)用。制造這種時間晶體也要用到一些基礎(chǔ)構(gòu)件，不過數(shù)量很少，使用的裝置架構(gòu)還是比較簡單的，對許多研究團(tuán)隊(duì)來說應(yīng)該不成問題。希望在未來的研究中，無論是對基礎(chǔ)物理研究和、還是精準(zhǔn)計(jì)時等實(shí)際應(yīng)用，這種簡單且耐用的設(shè)計(jì)都能起到關(guān)鍵作用。

　　作為計(jì)時裝置，以激光為基礎(chǔ)的時間晶體的準(zhǔn)確度也許比當(dāng)前最流行的原子鐘略有遜色。但它的穩(wěn)定性和簡潔性卻很適合用在通訊或計(jì)算裝置上，因?yàn)檫@些設(shè)備既需要精準(zhǔn)計(jì)時，又不能太過脆弱，在實(shí)驗(yàn)室以外的普通環(huán)境中也要正常運(yùn)作。此外，一些常用的電子元件生產(chǎn)技術(shù)或許還能將時間晶體整合到芯片中，使該系統(tǒng)更容易與現(xiàn)有的消費(fèi)者產(chǎn)品適配。

　　物理學(xué)家可以用幾十年來研究傳統(tǒng)空間晶體的方法研究大型時間晶體，判斷時間晶體在存在特定缺陷、或暴露在過度能量中時，是否會出現(xiàn)令人意外的行為。這些行為在小型晶體中一般難以探測，而此次的激光系統(tǒng)可以達(dá)到較大規(guī)模，為這一研究領(lǐng)域打開了一扇全新的大門。這是一類全新的物態(tài)，還是一片處女地，一個等待我們發(fā)現(xiàn)的新世界。（葉子）