時間晶體未來應(yīng)用猜想

文·圖/李偉

57 個量子比特——科學(xué)家稱這是人類迄今為止制造出的最大的時間晶體。什么是時間晶體？它將如何改變我們的生活？

澳大利亞墨爾本大學(xué)物理學(xué)家菲利普·弗雷和斯蒂芬·瑞秋近日宣布，在IBM的量子計算機上開發(fā)出57個量子比特的時間晶體。他們稱這是人類迄今為止制造出的最大的時間晶體，其意義在于展示了量子計算機對復(fù)雜系統(tǒng)的模擬能力，讓以往只能存在于物理學(xué)家腦海中的理論模型轉(zhuǎn)化為客觀實體。

那么，什么是時間晶體？它將如何改變我們的生活？

從科幻到實踐

要認識時間晶體，首先要了解四維空間——三維空間疊加時間維度。四維空間會在一定時間內(nèi)“有規(guī)律地變化”，這意味著其中的物體處于不斷輪回的狀態(tài)。三維世界的物質(zhì)在沒有外力作用的情況下一般會保持穩(wěn)定狀態(tài)。例如我們的手機，上一秒鐘和下一秒鐘是同一個物體。而在四維空間中，物體不斷發(fā)生變化，經(jīng)過一定時間后再變回原樣，周而復(fù)始。

物理學(xué)界一度認為，四維空間物體只存在于假設(shè)和科幻作品中，永遠不可能出現(xiàn)在現(xiàn)實中。然而，2012年，諾貝爾物理學(xué)獎得主弗朗克·韋爾切克率先提出四維空間中存在物體——時間晶體。2016年，由諾曼帶領(lǐng)的科研團隊成功開發(fā)出時間晶體；2021年2月，德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的研究人員稱，他們在時間晶體的研究中取得突破，在常溫下用磁振子制成了時間晶體，然后用X射線顯微鏡首次觀察到時間晶體中的原子不斷輪回的過程。2021年7月，谷歌公司聯(lián)合一批科學(xué)家，利用“懸鈴木”（Sycamore）量子處理器創(chuàng)造出首個可精確計量的時間晶體——20個量子比特。

時間晶體是一種在空間和時間上都具有周期性結(jié)構(gòu)的四維晶體。在我們的日常生活中，常見的是固、液、氣三種基本物質(zhì)形態(tài)。隨著科技的發(fā)展，物質(zhì)形態(tài)的概念也得到擴展，如等離子體形態(tài)、波色—愛因斯坦凝聚態(tài)、超臨界流體等。時間晶體是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，也是一種打破時間平移對稱性的非平衡態(tài)物質(zhì)。

對于三維空間晶體，人們并不陌生，比如冰塊、鉆石等。晶體是微觀粒子在空間上呈周期性排列的幾何對稱結(jié)構(gòu)。維爾切克的理論基礎(chǔ)是：把三維晶體的概念拓展到四維時空中，讓物質(zhì)在時間的維度上周期性排列。也就是說，時間晶體在不同時刻具有不同的狀態(tài)，并且這種狀態(tài)的變化具有周期性。舉個通俗的例子：一種時間晶體在第一秒是白糖，第二秒變?yōu)榧t糖，第三秒又變回白糖。

三維晶體具有空間平移對稱性。與之類似，時間晶體具有時間平移對稱性。所謂空間平移對稱性，是指一個物理系統(tǒng)沿空間某一方向平移任意距離后，物理性質(zhì)不會改變。簡單來說，就是在不同地方做相同的實驗，得到的結(jié)果是相同的。時間平移對稱性，指的是在不同的時間做相同的實驗，得到的結(jié)果也相同。

不是永動機

如果把空間晶體和時間晶體的概念綜合起來，就會明白它是一種特殊的物質(zhì)，可以在四維空間中結(jié)晶，形成物體。對于時間晶體，科學(xué)家指出它最大的特點——能夠永遠運動下去。

時間晶體可以實現(xiàn)時間平移對稱性，這意味著它會隨著時間不停轉(zhuǎn)變自身狀態(tài)，即處于不斷運動的狀態(tài)。根據(jù)三維空間的物理學(xué)原理，物體不斷運動，說明它有能量消耗，直到能量消耗殆盡就不再運動。時間晶體并非如此。在三維空間中，物體運動時的能量要比靜止時高；而對于四維空間中的時間晶體來說，運動時的能量反而比靜止時低。這種物體通過能量消耗，可以達到不斷運動的基態(tài)。

時間晶體就像鐘表，其秒針經(jīng)過60秒會回到原來的位置，并一直循環(huán)往復(fù)。鐘表指針的旋轉(zhuǎn)需要機械能或者電能等外部能量輸入，而時間晶體無需外部能量輸入，因為它處于最小的能量基態(tài)。

時間晶體的特性有點像永動機，但前者的運動是沒有外部能量輸入的，同時其運動能量也不能對外輸出加以利用。所以時間晶體并非永動機，也不能像永動機那樣“無中生有”地提供能量。

可能成為精確測距的“尺子”

那么，時間晶體的應(yīng)用前景在何處？

根據(jù)物理學(xué)原理，當(dāng)物質(zhì)處于絕對零度環(huán)境時，只能是靜止?fàn)顟B(tài)。而時間晶體的出現(xiàn)打破了這一定律——它可以在能量極低的基態(tài)下持續(xù)運動，且不需要外部輸入能量。試想，一個封閉的、無需周期性驅(qū)動的系統(tǒng)持續(xù)運動，自然有其可應(yīng)用的領(lǐng)域。

據(jù)英國《每日電訊報》報道，科學(xué)家下一步將研究如何控制時間晶體的運動，這是它投入實際應(yīng)用的第一步。

時間晶體具有很大的應(yīng)用潛力，例如可以用來改進原子鐘技術(shù)，顯示最精確的時間。作為一種高精度的計時裝置，原子鐘最重要的應(yīng)用是高準(zhǔn)確度的時間計量。如今人們通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時間來校準(zhǔn)自己的時鐘，網(wǎng)絡(luò)時間主要來自銫原子鐘，其精度較高，可以達到數(shù)千萬年只誤差1秒的程度，因此被廣泛用作基準(zhǔn)時鐘。時間晶體投入應(yīng)用后，我們每天從電視、廣播或網(wǎng)絡(luò)得到的報時服務(wù)將更加精準(zhǔn)，誤差小到可以忽略不計。研究人員預(yù)估，最守時的時間晶體鐘，其精度可達到數(shù)億年只誤差1秒的程度。

除了可以作為時間基準(zhǔn)之外，時間晶體還可應(yīng)用在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)中。目前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)利用精確的三維測距來實現(xiàn)定位。精確的長度測量是通過將其轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量電磁波的傳播時間來實現(xiàn)的。電磁波是一種高頻波，幾乎只沿直線傳播，當(dāng)遇到障礙物時會反射。通過測量電磁波往返傳播的時間，就可以實現(xiàn)距離的測量。

電磁波是以光速傳播的，反射時間極短，一般的計時器根本無法測量這么短的時間。要準(zhǔn)確對其進行測量，就需要非常精確的計時裝置。

基于時間晶體的時鐘將是人類所能掌握的最精確的時鐘，可以被用作實現(xiàn)精確測距的“尺子”。未來衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位精度，很大程度上將取決于時間晶體的應(yīng)用。衛(wèi)星定位系統(tǒng)在人們的生產(chǎn)和生活中應(yīng)用越來越廣泛。性能指標(biāo)不斷提高的測距系統(tǒng)，不僅能讓人們享受更好的服務(wù)，還有可能在未來的宇宙定位、太空探索中發(fā)揮重要作用。

時間晶體的另一個應(yīng)用前景是“永恒的信息存儲介質(zhì)”。未來的某一天，人類可以對時間晶體進行編程，把大腦中的記憶信息傳輸?shù)綍r間晶體中，制成時光膠囊。它不消耗能量，能周而復(fù)始地運行預(yù)先設(shè)定的程序。人們可以把一生中最美好、最難忘的回憶和感受存儲其中。這樣的時光膠囊，即使宇宙進入“熱寂”狀態(tài)，它里面的信息也不會消失。

《每日電訊報》指出，時間晶體將為物理學(xué)研究打開一個全新的世界。讓愛與回憶超越宇宙的盡頭，這或許是它最浪漫的應(yīng)用。

時間晶體還啟發(fā)了人們對于宇宙的新思考。它是一種四維晶體，其內(nèi)部的原子可以一直輪回。這讓人們想起《2001太空漫游》等科幻電影中描述的四維空間。它是真實存在的嗎？