晶体形成于从某些材料中移除能量，迫使它们采用新的空间结构时。晶体的一个关键特性是，当它们形成时，对称性被打破。材料不再在所有方向上都相同，而只在某些方向上相同。它形成周期性结构。
早在 2012 年，诺贝尔奖得主物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）和他的同事阿 尔·夏佩尔（Al Shapere）在思考这种现象时 偶然想到了一个有趣的观点。他们推断，物理定律在时间和空间上都是对称的，因此这种行为不应仅限于空间维度。他们决定，类似的时间周期性结构也应该出现在时间中。他们称这些结构为时间晶体。
这是一个完全理论化的未知探索。但它引发了物理学家们的热烈讨论，他们开始研究如何构建时间晶体。I在 2016 年，他们实现了这一点，通过一系列冷却到基态但仍能相互作用的镱离子。
相互作用是这样的：每个离子都朝特定方向自旋，可以通过用激光照射来反转。发生这种情况时，自旋的变化会导致下一个离子的自旋翻转，然后是下一个，依此类推，形成连锁反应。事实上，可以通过控制激光照射的频率来控制链的振荡速率。
能量谜团
2016 年的关键发现是，振荡也以驱动频率的两倍发生。通常情况下，这会是一个谜团，因为离子是超冷的，没有其他能量来源。
但威尔切克和夏佩尔表示，这正是时间晶体应有的表现。时间晶体不像恒定不变，而是会以特定速率随时间变化，在这种情况下是以驱动频率的两倍速率变化。
当然，这是一项难以进行且相当晦涩的实验。它需要创建一个能够以精确方式控制的特定量子系统，在这种情况下是超冷离子。
现在，荷兰量子计算初创公司 QuTech 的 Joe Randall 和 Conor Bradley 以及其他地方的同事，已经找到了一种更通用、更广泛的创建时间晶体的方法。他们用来实现这一目标的是量子计算机。
人们普遍认为量子计算机是强大的信息处理设备，可以破解密码并执行令人难以置信的计算。但这些机器还能执行另一项巧妙的技巧：模拟。
物理学家们早就知道，量子系统的行为不一定取决于它是由什么构成的——原子、电子、光子等等。相反，它的行为是由其量子态决定的，量子态是描述这些实体如何相互作用的数学描述。
关键思想是，不同的物质组合可以具有相同的量子态，从而表现出相同的行为。因此，一组分子可以与一组光子、离子或原子等具有相同的量子态。事实上，这些系统不仅非常相似；在它们的量子行为方面，它们是完全相同的。
这就是为什么量子计算机是强大的模拟器。计算机——无论它是基于离子、光子还是核自旋——只需要被制备成与要模拟的对象相同的量子态。研究人员已经这样做了相当一段时间，以研究原子、分子、蛋白质等各种特性。
量子模拟
现在，Randall 和 Bradley 及同事通过将他们的量子计算机设置为镱离子链在表现出这种行为时所采用的相同量子态，来模拟时间晶体。果然，他们发现模拟也表现出完全相同的行为。他们观察到了振荡频率加倍的特征，这是时间晶体的标志。
有趣的是，谷歌的另一组研究人员也宣布了一项类似的结果，尽管比 Qutech 团队晚了几周。
这项工作具有有趣的潜力。时间晶体可以被认为是量子物质的一种形式。但还有其他形式，例如拓扑保护态，它们在纠错中很有用。
在其他情况下，这些状态被证明难以创建。但用于模拟时间晶体的相同技术也可能允许在量子计算机中创建这些其他奇异状态。这可能会把我们带到哪里，谁也无法猜测。
时间晶体和拓扑保护态是有趣的量子工具。现在的问题是用它们来做什么。
参考文献：使用可编程自旋基量子模拟器观察到的多体局域化离散时间晶体：arxiv.org/abs/2107.00736
