研究人員最近利用量子計算機創造出了一種全新物態——時間晶體。這些時間晶體在谷歌的Sycamore晶片中創造而成，儲存在量子低溫恆溫器中。
時間晶體可以在兩種狀態之間永遠迴圈下去，而不損失任何能量，因此成功迴避了最重要的物理學定義之一——熱力學第二定律。該定律指出，一個孤立系統的無序性（即“熵”）必定永遠處於遞增狀態。而這種神奇的時間晶體則可以始終維持穩定，儘管一直處於變化之中，但不會解散為隨機狀態。
據今年7月28日發表在預印資料庫arXiv上的一篇論文介紹，科學家利用量子位元（即傳統計算機位元的量子計算機版本），在谷歌Sycamore量子處理器核心中創造出了時間晶體，存續時間約為100秒。
這種奇特的新物態、以及它所展現的物理行為，令科學家感到激動不已，更何況僅僅九年前、人們才剛剛預言了時間晶體的存在。
在物理學家看來，時間晶體是一種非常神奇的物質，因為它們不受熱力學第二定律的約束，而這可是物理學最牢不可破的定律之一。該定律指出，熵永遠處於遞增狀態。要想提高有序性，就必須增加能量才行。
這種始終朝無序發展的傾向可以解釋很多現象，例如為何將配料混合在一起很容易、但將混合物分開就很困難，或者口袋裡的耳機線為何總是繞成一團。該定律也決定了時間箭頭的方向：過去的宇宙永遠比目前的宇宙更加有序。例如，如果將電影倒放，看起來就很詭異，因為這種熵的流動方向是與你的直覺相違背的。
但時間晶體並不遵循這一定律。它並不會逐漸達到熱平衡狀態（即能量或溫度在其周圍均勻分佈），而是會卡在兩種處於熱平衡之上的能態之間，並且在這兩種狀態之間無限來回切換。
為了解釋這種現象有多麼異乎尋常，我們來舉一個例子：假設有一個密閉的盒子，裡面裝滿了硬幣，然後被搖晃一百萬次。隨著這些硬幣在盒子裡來回彈跳，它們會“變得越來越混亂，把所有可能的排列方式都經歷一遍”，直到晃動停止。開啟盒子後，裡面的硬幣全部以隨機方式排列，大約一半朝上、一半朝下。無論盒子裡的硬幣最初是如何擺放的，我們都可以預見到，最終它們都會呈現為這種無序的、一半朝上一半朝下的狀態。
在谷歌Sycamore量子處理器這個“盒子”中，我們可以將量子位元視為剛才所說的硬幣。就像硬幣可能正面朝上或反面朝上一樣，量子位元也可能為0或1、或者這兩種狀態的疊加態。時間晶體的奇異之處在於，無論“搖晃”多少次、或者在兩種狀態之間切換多少次，時間晶體的量子位元都無法轉化為最低能態（相當於硬幣的隨機排列），它們只能從開始狀態跳躍到第二種狀態、然後再跳回來。
時間晶體最終不會呈現為隨機形態，而是會困在兩種狀態之間。就好像它記得自己最開始的狀態、然後不斷重複這一規律一樣。從這一角度來說，時間晶體就如同一個永不停止搖擺的擺錘。
“就算你將一個擺錘從物理上與整個宇宙完全隔絕開來，摩擦力和空氣阻力均為零，它最終仍然會停止擺動，這就是熱力學第二定律的結果。”英國拉夫堡大學物理學家阿西里斯·拉扎萊德斯指出，他是2015年最早發現這種新物態存在的可能性的科學家之一，“能量剛開始時集中於擺錘的質量中心，但最終總會轉化為物質的內部自由度，例如擺杆內部原子的振動。”
熱力學第二定律稱，所有系統都會朝著無序的方向演變，即能量在空間中均勻分佈。
事實上，大尺度物體永遠不可能像時間晶體一樣，因為唯有微觀世界的主宰定律——量子力學，才能讓時間晶體得以存在。
在量子世界中，物體同時具有粒子和波的雙重特性，在空間中給定區域內的波幅代表了在該位置找到一個粒子的機率。但隨機性（如晶體結構中的隨機缺陷、或者量子位元之間相互作用強度的隨機性）可能導致粒子的機率波在除了一塊極小區域之外的空間內全部相互抵消。這樣一來，粒子的位置就被固定住了，既無法移動、也無法改變狀態、或與周邊環境達到熱平衡，即粒子被定域化了。
研究人員將粒子的定域過程作為自己的實驗基礎。他們使用了20條超導鋁、作為量子位元，然後將每一條設定為兩種可能狀態的其中一種。接下來，他們用微波束轟炸這些超導鋁條，讓量子位元切換成另一種狀態。研究人員將這一過程重複了數萬次，並在不同的時間點暫停實驗，將量子位元當時所處的狀態記錄下來。結果發現，所有量子位元作為一個整體、一直在兩種配置之間來回切換，並且沒有從微波束中吸收任何熱量——時間晶體就這樣誕生了。
他們還觀察到了一條關鍵線索，證明時間晶體是一種物態。在周邊環境發生變化時，物態一般都非常穩定。例如，如果周邊溫度只是稍有改變，固體並不會就此融化，液體也不會突然蒸發或結冰。同理，如果用來改變數子位元狀態的微波束稍有變化，離180°的“完美翻轉”差了一點點，量子位元依然會切換為另一種狀態。
“並不是說，如果沒有剛好達到180°，一切就全毀了。”拉扎萊德斯指出，“即使犯點小錯誤，時間晶體依然能神奇地翻轉過來。”
打破物理的對稱性是物態轉變的另一標誌。物理對稱性是指，物理學定律對於處在任意時間點或空間點的同一物體都是相同的。例如，當水為液態時，水分子在每個空間位置上和每個方向上的流動都遵循相同的物理法則。但如果給水降溫、使其轉化為冰，分子就會組成晶體結構，並且每個分子在結構中都有自己特定的位置。在這種情況下，每個水分子在空間中除了自己選定的位置被佔用之外、其它可能的位置全都空了出來，水的空間對稱性也就被打破了。
就像水分子透過打破空間對稱性、變為空間晶體一樣，時間晶體也透過打破時間對稱性形成。在它們轉變為時間晶體狀態之前，每一排量子位元在時間上始終是對稱的。但微波束的週期將這些量子位元的恆定狀態切分成了若干離散的片段（使鐳射施加的對稱性變成了離散的時間平移對稱性）。接下來，量子位元以微波束週期的兩倍來回切換，結果成功打破了由鐳射施加的離散時間平移對稱性，成為了我們所知的首個能夠做到這一點的物質。
這些奇異之處意味著，圍繞時間晶體或許能產生許多物理學新發現，谷歌Sycamore量子處理器也將成為進一步探索的理想平臺。不過，它依然有改進的空間。就像所有量子系統一樣，谷歌的量子計算機也必須與環境完全隔絕開來，防止量子位元發生“退相干”，這最終會瓦解量子定域化效應、摧毀時間晶體。研究人員還在尋找更好的處理器隔絕方法，儘量緩解量子退相干的影響，但終究無法將其徹底消除。
儘管如此，此次實驗可能依然是短期內研究時間晶體的最佳途徑。雖然不少專案已經成功造出了看似時間晶體的物質（利用鑽石、氦-3超流體、一種名叫“磁子”的準粒子、以及玻色-愛因斯坦凝聚體），但這些晶體的分解速度太快，來不及開展詳細研究。
這些晶體在理論上過於新穎，可謂有好有壞，因為物理學家目前還不清楚它們有何用武之地。不過馮·凱瑟林克提出，它們可以被用在高精度感測器中。還有人提出，這些晶體可用於提高記憶體、或用於製造處理速度更快的量子計算機。
不過，時間晶體最大的用處或許已經體現出來了：讓科學家得以進一步探索量子力學的邊界。
“它讓你不僅能夠研究自然界中存在的物體，還能讓你親自設計它，考察量子力學讓你做什麼、不讓你做什麼，”拉扎萊德斯指出，“如果你在自然界中找不到某樣東西，並不意味著它無法存在——我們只需要自己創造一個出來就行了。”
