它就像在玩跳绳，当我们的手臂摇动两次时，绳子却只晃动了一圈。

图片来源：Peter Crowther

Christopher Monroe的一生都在用光刺探原子。他把它们按照圆环和链条排列，然后用激光给它们“按摩”，以探索其特性及制作基础的量子计算机。去年，他决定尝试一种看似不可能的事情：创造时间晶体。

这个名字看上去像是从电影中的神秘博士那里借用的一个道具，但它却根植于真实的物理学。时间晶体是无需能量驱动而产生脉冲的假想结构，就像一个从不需要上发条的闹钟那样。该模式在时间上重复的方式类似于晶体原子在空间中重复的方式。这一想法极具挑战性，当诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek在2012年提出这个令人兴奋的概念时，其他研究人员很快证明：没办法建立这样的时间晶体。

然而，依然有一个缺口，另一个物理学分支的研究人员发现了利用这个缺口的方法。美国马里兰大学帕克分校物理学家Monroe和团队用他们为其他目的建立的原子链制作了一个版本的时间晶体。“我想说它在某种程度上是由我们偶然碰上的。”Monroe说。

另一个由马萨诸塞州哈佛大学研究人员带领的团队则独立从“脏”钻石中做出了时间晶体。两篇在今年3月发表于《自然》的论文均被认为是时间晶体，但却不是Wilczek一开始所设想的。“它没有一开始的想法那样神奇，但依然非常不可思议。”加州大学伯克利分校物理学家、两篇文章的共同作者Norman Yao说。

“这是一种新秩序，这一秩序此前认为不可能发生。这令人极度兴奋。”哈佛大学团队成员Vedika Khemani说。实验物理学家已经在思考如何将这些不可思议的系统的特征用于量子计算机和超敏感磁感应器。

打碎时间

Wilczek梦想时间晶体是打破规则的一种方式。物理定律是对称的，因为它们适用于时空中所有的点。然而，很多系统却挑战了这一对称性。在磁铁中，原子会排列其长链而非指向所有方向。在矿物晶体中，原子在空间中占据了设定位置，如果它略有改变，晶体看上去就会不同。改变导致特性发生变化，物理学家称其为对称破裂，它存在于自然界中所有地方——磁铁、超导体根部乃至赋予所有粒子质量的希格斯机制中。

2012年，现在瑞典斯德哥尔摩大学工作的Wilczek好奇，为什么对称性从不会自发在时间上破裂以及它是否能够建立一些曾经建立的东西。他称其为时间晶体。实验学家将这个实体的一个量子版本想象成可能会无休止旋转的原子环，可循环反复至其最初的配置。它的特征在时间上可能是无穷无尽地同步化的，就像晶体中的原子位置是相互关联的那样。该系统可能会处于最低能量状态，它的活动不需要外部力量。在本质上，它是一个永恒运动机器，不过不能产生可用的能量。

“第一次听到这个想法，人们可能会说它是错的。”Yao说。在定义上，处于最低能量状态的一个系统不会在时间上发生变化。若如此，这意味着它会丢失额外的能量，旋转会很快停止。“但Wilczek让学界相信这个问题比它看起来更加微妙。”他说。永恒运动在量子世界中并非没有先例：在理论上，超导体可以永远导电。

在走出加州大学伯克利分校博士生首次面试考场时，这些相冲突的问题在Haruki Watanabe的头脑中乱窜。“我想知道，‘我如何才能让人们相信它是不可能的呢？’”Watanabe与日本东京大学物理学专家Masaki Oshikawa一起，设法以数学上更强大的方式证明他的直觉。两人在2015年提出一个定理，表明任何系统处于低能量状态时建立时间晶体都不可能。

对于物理学界来说，答案很清楚。“它似乎是个不宜继续进行的领域。”Monroe说。但证据却留下了一个漏洞。它并未排除在尚未到达稳定状态并且不均衡的系统内的时间晶体。在全世界范围内，理论物理学家开始思考建立时间晶体选择版本的方式。

粒子汤

这一突破发生在物理学领域一个未曾料到的角落，该领域的研究人员当时并未思考时间晶体。

新泽西州普林斯顿大学理论物理学家Shivaji Sondhi与同事曾研究当特定孤立的量子系统——由相互作用的粒子构成的粒子汤——在反复受力后会发生什么。教科书上的物理学会说，该系统热量增加并变得混乱。但在2015年，Sondhi的团队预测在特定情况下，它们会簇拥在一起形成均衡现象中并不存在的一种物质态—— 一系列粒子将会展现出此前从未见过的微妙关系，它将会在时间上重复一种模式。

这一提议吸引了加州大学圣塔芭芭拉分校的Chetan Nayak和同事的注意，他们认为这种奇怪的非均衡物质的形式也是一种时间晶体。但却并非Nayak的导师Wilczek的版本，它并非处于最低能量状态，还需要常规的外力实现脉冲。但它会获得与外力并不匹配的稳定节奏，这意味着它能够打破时间对称。

“它就像在玩跳绳，当我们的手臂摇动两次时，绳子却只晃动了一圈。”Yao说。这种对称破裂与Wilczek设想的版本相比更弱一些，前者的想法是绳子会自己振动。

当Monroe听到这一提议的系统后，他最初不能理解。“我越读越觉得困惑。”他说。去年，他开始设法将自己的原子整合为时间晶体。这意味着向由10个镱离子构成的链条交替发射激光，第一次激光让它们旋转，第二次激光以随机方式让这种旋转彼此之间发生相互作用。这种结合让原子旋转振荡，但却是以它们被击打周期的两倍速率在振荡。

此外，研究人员发现，即便他们开始以一种不完美的方式击打这一系统，比通过略微改变受力的频率，振荡频率则保持不变。“该系统仍然锁定在一个非常稳定的频率。”Monroe说。他说，空间晶体也会同样抵制将其原子推离设定空间的任何尝试。“而这种时间晶体具有同样的现象。”

在哈佛，物理学家Mikhail Lukin在尝试做类似的实验，但却是在一个完全不同的系统中—— 一块三维钻石中。这块钻石有近100万个杂质，每个杂质都在发生旋转。钻石的杂质提供了一种天然的无秩序状态。当Lukin和团队利用微波脉冲使其旋转时，他们发现该系统频率会略微以被打扰的方式作出回应。

物理学家同意，这两种系统自发地打破了一种时间对称性，因此在数学上可以完成时间晶体的标准。但围绕它们是否应该被称为时间晶体仍有一些争论。“这是个有趣的进展，但从某种程度上讲，它是在滥用这个词。”Oshikawa说。

Yao说，新系统是时间晶体，但其定义需要缩小，从而避免不会将那些已经得到很好理解却让量子物理学家不感兴趣的现象包括在内。

用武之地

但是Yao说，Monroe和Lukin的创新也有不同的兴奋点。它们似乎是第一个而且可能是最简单的存在于相对尚未探索的非均衡状态中的大量新阶段的案例。它们可能还拥有若干实际应用。其中之一可能是以高温运行的量子模拟系统。物理学家经常使用处于毫微开尔文温度（接近绝对零度）的纠缠量子粒子，以模拟不能在经典计算机上建模的材料的复杂行为。时间晶体代表了高于这个温度的稳定量子系统，在Lukin的钻石案例中，则是处于室温水平，这可能打开了非低温状态下通往量子模拟的大门。

Lukin说，时间晶体还会在超精度感应器中找到用途。他的实验室已经在利用钻石瑕疵观察温度的细微变化和磁场。但这种途径也有局限，因为如果过多的缺陷存在于一个小空间中，它们的相互作用会破坏其脆弱的量子状态。然而，在时间晶体中，这种相互作用可以使其稳定，而非被打乱，所以Lukin能够把数百万个瑕疵组合在一起，形成强烈的信号——这个信号可以有效地探索活体细胞和原子厚度的材料。

Yao说，相互作用稳定性的原则还可以更广泛地应用于量子计算。量子计算机展现出巨大潜力，但一直以来却面临要保护执行运算的脆弱量子比特，同时使其进行编码以及读取信息的挑战。“你可以问自己，未来是否可以找到稳定这些量子比特形态的交互作用。”Yao说。

德国马普学会物理学复杂系统研究所主任Roderich Moessner说，时间晶体的故事是当不同想法汇聚在一起时如何产生进展的漂亮案例。他说，很有可能，这种特别的“菜谱”最终会被证明只是“烹饪”时间晶体的许多方法之一。（晋楠编译）