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【时间晶体|打破传统！谷歌创造的时间晶体是什么？探究时间晶体背后的科学】根据7月28日发表在Arxiv上的一篇研究文章称 ， 科学家们使用谷歌 Sycamore 量子处理器核心内的量子位（传统计算机位的量子计算版本）创建了大约 100 秒的时间晶体 ， 今天我们就来聊聊谷歌时间晶体背后的科学 。
什么是时间水晶？
时间晶体是一种四维以上的空间晶体晶格 ， 其与周围环境保持非平衡态 ， 呈现时间平移对称破缺的特性 。 这个概念最早由诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克于2012年提出 。 相对于寻常晶体在空间上呈周期性重复 ， 时间晶体则在时间上呈周期性重复而呈现永动状态 。 时间晶体在时间平移对称上具有自发对称破缺现象 。 时间晶体也与零点能量和动态卡西米尔效应有关 。
我们大多数人都知道什么是普通晶体：一个重复的、刚性的晶格或粒子网格 ， 如原子或分子 ， 它们构成了一个固体、有序的结构 。
▲普通晶体在空间中重复它们的结构/构型 ， 就像刚玉的晶体结构 α-Al2O3 。 但是时间晶体会及时重复其量子状态 。
而时间晶体与普通晶体相反 ， 它没有晶格 ， 没有网格 ， 也没有固体有序的结构 。 在概念上 ， 时间晶体的重要组成部分是“重复”部分 。 传统晶体具有在空间中重复的结构 ， 这意味着它表现出平移对称性（如果你在晶体内移动 ， 结构在任何地方看起来都是一样的） ， 而时间晶体应该按时间周期性地重复其配置 。
▲即使处于基态 ， 电子仍然具有非零能量 ， 这意味着随着时间的推移总会有随机运动 。 只有当系统周期性地返回到准确的原始状态 ， 没有热噪声或其他缺陷时 ， 才能创建时间晶体 。
最初 ， 当弗朗克·韦尔切克第一次提出时间晶体这个概念时 ， 由于多种原因 ， 时间晶体被认为是不可能的 ， 因为它违反了热力学第二定律和能量守恒定律 ， 这些定律证明了时间晶体的不可能性 。
但理论家们在这些定律中发现了漏洞 ， 并由实验家直接在实验室中创造了它 。 2016年 ， 诺曼·姚和他的团队通过一个非常巧妙的计划 ， 想出了一个创造时间晶体的方案 。 他没有采用一个封闭的、恒定的系统 ， 而是利用一个具有失衡条件的系统 ， 然后 ， 他会从外部“驱动”该系统 ， 使其成为开放而非封闭的系统 ， 并实现被认为不可能的“时间晶体”状态 。
▲作为 Ising 相互作用强度和自旋回波脉冲缺陷的函数的离散时间晶体的相图 。 仅在蓝色阴影区域中实现了时间晶体状态 ， 其中 x 轴是偶极自旋（相互作用强度） ， y 轴是注入系统的驱动力（脉冲） 。
这有点复杂 ， 但你可以想象你有一堆有自旋的原子 ， “驱动”系统的方法是让系统接受包含缺陷的自旋回波脉冲 ， 但这些脉冲会周期性发生 ， 同时允许相互作用在中间时间随机发生 。 如果自旋原子和自旋回波脉冲的这些偶极矩的组合以某种方式表现 ， 你可以得到一个时间晶体 。
然而 ， 困难的部分是你与系统交互时发生的事情：如果存在能量交换 ， 则该能量会在整个系统内部传递 ， 从而导致由于多体相互作用而失控的热量 ， 而“时间晶体”只会从初始状态振荡离开然后返回到初始状态 。 只有当你周期性地回到你的初始状态 ， 没有额外的加热并达到一个纯粹的稳态 ， 你才能制造出时间晶体 。
▲创建时间晶体的蓝图：采用纠缠系统并用自旋翻转脉冲驱动它 。 在一段时间的某个倍数处 ， 您将返回到相同的初始状态 。
姚的作品于2016年8月首次亮相 ， 随后由哈佛大学的米哈伊尔·卢金( Mikhail Lukin ) 和马里兰大学的克里斯托弗·门罗( Christopher Monroe )对其进行了测试 ， 他们采用了不同的方法
门罗的小组采用了一系列一维排列的钇原子 ， 这些原子都通过静电相互作用耦合在一起 。 当他们对这条原子线施加一系列自旋翻转脉冲时 ， 他们发现系统在每两个完整的脉冲周期就会恢复到初始状态 。
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