量子计算有潜力解决当今经典计算机无法解决的现实问题。然而不幸的是，它很脆弱。主要受到一种叫做“退相干”的东西影响，这很像熵。时间晶体或许能够解决这一问题。

年5月，芬兰阿尔托大学的研究表明，时间晶体可能是制造量子计算机的关键。通过自振荡过程，时间晶体在自身内部交换电子，而不使用能量，这使得离子无论经过多少时间都能够保持相干。年8月，在《自然·材料》杂志发表的一篇论文中，研究人员首次观察到了时间晶体的相互作用。

现在，物理学家创造了有史以来第一个时间晶体二能级(two-level)系统。

英国兰卡斯特大学物理学家SamuliAutti领导的国际研究团队成功在超流体内部制造出两个时间晶体，并使它们相互接触，制造出了一个遵循量子规则的耦合系统，为使用时间晶体作为量子比特运行的量子计算机奠定了基础。

该研究成果以《量子时间晶体的非线性二能级动力学》为题于6月2日发表在《自然·通讯》杂志上[1]。

长期以来，人们一直认为时间晶体并不可能实现——因为它们是由运动永无止境的“原子”制成的。

时间晶体是普通晶体的时间模拟物。

时间晶体与普通晶体相似，因为它们基于重复的原子结构；但是时间晶体的“原子”行为却略有不同：它们在时间上表现出运动的模式，而这种模式不能轻易地用外力来解释，这些振荡被锁定在有规律和特定的频率。从理论上讲，时间晶体以尽可能低的能量状态振荡，因此在很长一段时间内是稳定且相干的；因此，当时间晶体在空间和时间中重复时，会表现出永久的基态运动。

年，诺贝尔奖获得者FrankWilczek首次提出“时间晶体”这一理论。他提出，即使在最低能量下，原子也可能随着时间的推移而变化，就像超导体在技术上可以在最低能量状态下携带电流一样。这意味着从理论上讲，它们可以在没有能量源的情况下永远重复，像一台“永动机”；但是根据热力学定律，这种装置是不可能的。

FrankWilczek

自Wilczek的预测以来，许多研究人员进行了实验，表明原子的行为方式可能有资格成为时间晶体。

年，马里兰大学、哈佛大学团队使用了加州大学伯克利分校研究人员提出的方法，正式发现和确认了时间晶体[2]：尽管没有外部输入，但这些晶体在时间上呈现出恒定、重复运动的特性，它们的原子不断地振荡、旋转，或者首先向一个方向移动，然后再向另一个方向移动。

年，首次实现了两个量子时间晶体的相互作用，并表明时间晶体遵循量子力学规则[3]。

此次研究成果意义重大：这是第一次，孤立的粒子群表现为时间晶体的奇异物质状态，并连接到一个单一的、不断发展的系统，这是将时间晶体用于实际目的的下一步，例如量子信息处理。

“每个人都知道永动机是不可能的，”SamuliAutti说，“然而，在量子物理学中，只要我们闭上眼睛，永动机是可以的。通过潜入这个缝隙，我们可以制造时间晶体。”

该团队使用的时间晶体由称为“磁振子”（magnon）的准粒子组成：磁振子不是真正的粒子，而是由电子自旋的集体激发组成，就像通过自旋晶格传播的波一样。当氦-3（一种具有两个质子但只有一个中子的氦的稳定同位素）冷却到绝对零度的万分之一以内时，就会出现磁振子——这就产生了“B相超流体”（B-phasesuperfluid，一种具有低压的无黏性流体）。

实验示意图。超流体氦-3样品被装在一个石英玻璃缸中。磁振子时间晶体（蓝色圆球）被困于容器中间，这是由于使用线圈（pinchcoil，绿色线环）产生的静态磁场的最小值和超流体轨道动量L（绿色小箭头）的空间分布共同作用的结果；使用线圈（NMRcoil）可以观察到时间晶体中磁化M（粉红色锥体）的相干预演；静态磁场H的方向与圆柱体的轴线平行。

在B相超流体这种介质中，时间晶体形成为空间上不同的玻色-爱因斯坦凝聚态（由玻色子冷却到绝对零度以上形成），每个凝聚态由一万亿个磁振子准粒子组成。

这导致它们沉入最低能量状态，移动得非常缓慢并且聚集在一起甚至重叠产生高密度的原子云，其作用类似于一个“超级原子”或物质波。当两个时间晶体被允许相互接触时，它们交换了磁振子。这种交换影响了每个时间晶体的振荡，创建了一个单一的系统，时间晶体可以选择在两种离散状态下运行。

a.L的分布（绿色箭头）将磁振子限制在两个局部最小点，承载两个相邻的时间晶体：一个在超流体的主体（蓝色圆球），另一个接触自由表面（红色圆球）。在每个时间晶体中，磁化是相干的且与测量电路相耦合；b.磁振子改变了L分布所产生的约束陷阱，这增加了各状态之间的耦合；c.两级系统的状态（红色箭头）可以用一个布洛赫球来说明，其中径向距离对应于磁子数NB+NS，时间晶体的预演之间的相对相位对应于方位角j，极性角θ描述了“叠加”中两级基础状态的相对权重。

量子物理学中，在被明确的测量固定下来之前，物体可以具有多个状态，并存在于这些状态的混合中。因此，让时间晶体在双态系统中工作，为量子技术提供了丰富的新选择。

“事实证明，将两个时间晶体放在一起效果很好，”SamuliAutti博士解释说[4]。

量子计算机的基本构建块被称为“二能级系统”——一个存在于两个独立量子态叠加的量子系统。这正是此次研究人员所构建的，“在我们的实验中，由自旋波准粒子组成的两个耦合时间晶体……形成一个宏观的两级系统。”该论文解释说。

“这两个能级随着时间而演变，本质上是由非线性反馈决定的，使我们能够构建自发的二能级动力学。磁振子时间晶体允许在一次实验中了解量子相干相互作用的各个方面和细节，因此这种二能级系统的发现可能提供一种制造量子计算机的方法，而且可以在无需冷却的环境下工作。”

参考链接：

[1]

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