沒有摩擦的自發振蕩「永動機」：量子時間晶體

主編點評：我們的世界有豐富多彩、各種各樣的物質態。這些不同的物質態，是由它們的對稱性來區分的。例如液態具有最高的對稱性，平移任何距離都把液態變成它自己。而晶體則有較低的對稱性，只有在平移某一個特定的距離時，晶體才保持不變。晶體中這一平移對稱性的破缺，正對應於晶體中原子在空間的各種各樣的分布圖案。

物理學家們創造出一種新的物態形式，這種物態也許是發展新型量子機器的鑰匙。

來源 哈佛大學

翻譯 袁竹君（北京大學）

編輯 丁家琦

審校 周恆昀（哈佛大學物理系博士生、論文作者之一）

這一對稱性破缺的看法，使我們對晶體的結構，有了一個深刻的理解。我們甚至可以利用晶體這些較低的對稱性，對所有可能的晶體形態，作一完全分類。比如在三維空間，我們只有230種不同的晶體形態。

液體和晶體在時間上都有很高的對稱性，時間平移任何時段它們都不變。也就是說，液體和晶體，都是不隨時間變化的穩定態。那我們有沒有在時間上平移對稱性破缺的物質態——時間晶體？（所謂時間晶體，就是在時間上自發產生振蕩。）

答案是有，而且時間晶體（時間上的自發振蕩）是一個非常常見的現象。一個老式的擺鐘，上了發條之後，鐘擺就會自己周期性擺動，產生自發振蕩，這就是一個時間晶體。任何電子錶、智能手機中，都有一個電子振蕩器。電子振蕩器也是一個時間晶體。

可為什麼這篇文章把時間晶體稱為新發現呢？實際上，這篇文章講的，是一個不發熱的時間晶體。自發振蕩不是新現象，不發熱才是新現象。網上很多介紹時間晶體的文章，只強調自發振蕩這一舊的現象，卻沒有（或很少）強調不發熱這一新現象。

所謂不發熱，就是不消耗能量。通常大家認為任何運動都會產生摩擦力，都會發熱並消耗能量。所以，一個不產生摩擦力的自發振蕩，的確是一個令人驚奇的發現。在某種意義下，一個不發熱的時間晶體也可以看成是一個自發振蕩永動機。另外，不發熱，就是不破壞量子相干性。這一不破壞量子相干性的操作，也許在量子計算中會有很多用處。

這篇文章介紹了哈佛一個研究小組的工作。之前其它幾個研究小組也有類似的發現。

——文小剛

普通石英晶體（圖片來源：pixabay）

傳統上的晶體指的是三維格子上原子們簡單的周期性排布，鹽、糖，甚至鑽石都屬於此類。而時間晶體則在原子的空間周期性的基礎上，再加上第四個維度的周期性——這意味著特定條件下，這些在材料中的原子在時間上也會出現周期結構。

由哈佛大學物理學教授Mikhail Lukin和Eugene Demler領銜的團隊[1]製造出了一個量子體系，其用一小片金剛石製成，上面嵌有數以百萬計原子尺度的雜質——氮-空位（記為NV）色心。然後，他們用微波脈衝迫使這個系統脫離平衡，造成NV色心的自旋以非常準確的間隔翻轉——這是時間晶體的關鍵標誌之一。這個工作發表在3月8日的《自然》（Nature）雜誌上。

文章的通訊作者Lukin表示：「製造出時間晶體的重要意義不只是證明了一個『以前只存在於理論上』的材料是能實現的，而更是因為它給物理學家打開了一扇誘人的窗口，幫助我們研究非平衡態系統的行為。」

「如今，關於非平衡態下量子系統的物理學研究前景十分廣闊，有很多工作正在進行中，」 Lukin 說，「這是一個與多種量子技術切身相關的領域，因為一台量子計算機基本上就可以被描述為一個遠離平衡態的量子系統。這是非常前沿的研究……而我們剛剛涉及到表面的一些皮毛。」

理解這種非平衡態系統不僅能從長遠角度幫助研究人員走上量子計算的道路，製造出這一時間晶體背後的技術或許還能帶來很多近期的應用。

「我們認為這個技術在一個領域可能會派上用場，這就是精確測量領域，這也是我們這個工作的最初動機之一。」Lukin 說。「後來我們發現，利用NV色心的自旋可以製成磁場探測器，」他說，「所以，我們創造的非平衡態物質是可能派上實際用場的。」

然而，在一開始，很多人懷疑這類系統根本不可能被製造出來。事實上，幾位學者（Patrick Bruno， Haruki Watanabe， Masaki Oshikawa）甚至已經證明，在平衡態時，一個量子系統是不可能成為時間晶體的。

「我們生活中的大多數事物都是平衡態的，」Lukin 解釋道，「這意味著如果你把一個熱的物體和一個冷的物體貼在一起，它們的溫度最後就會趨向於相等。但是，不是所有的系統都這樣。」

一種最常見的非平衡態材料，就是很多人日常會穿戴的東西——鑽石。作為一個碳在極高溫高壓條件下形成的晶體形式，鑽石之所以不常見，就是因為它是亞穩態的。這意味著一旦它形成這種晶體形式，就會保持這種狀態，即便在去掉高溫高壓條件以後。

Lukin說，一直到最近，研究者才意識到非平衡態系統，特別是那些「可驅動」的系統（即研究者能用周期性能量脈衝「驅動」的系統），能展示出時間晶體的特質。這些特質中的一種，就是晶體對擾動的反應在時間上是穩健的（robust）——即有抵抗擾動的傾向。

「一個固態晶體是堅硬的，如果你壓它，也許原子之間的距離有一點點改變，但是晶體本身能存留下來，」他說，「而時間晶體的想法就是在時間域上有這種秩序性，而且對於擾動必須是穩健的。」

「時間晶體另外一個重要的特性是，通常，如果你迫使一個系統遠離了平衡，它就將開始發熱，但是這類系統能抵抗這種發熱，」Lukin補充道，「事實證明，時間晶體效應與這樣一個想法十分接近：系統被激發了，但是不吸收能量。」

為了製備這樣一個系統，Lukin和他的同事們從一小片金剛石下手，這片金剛石上嵌有非常多的NV色心，以致於它看起來不是透明的了，而是黑色。

「我們把這個鑽石放到微波脈衝下，這可以改變NV色心自旋的朝向，」Lukin解釋道，「這能作用於幾乎所有朝上的自旋，讓它們轉而朝下，然後下一個脈衝再使得它們全部朝上。」為了測試系統的穩健性，Lukin和他的同事們改變了脈衝的時間，去看這材料是否能保持時間晶體一樣的響應。

「如果不能每次調轉所有自旋全部向上或向下，系統很快就會變成完全隨機的，」 Lukin說，「但是，NV色心間的相互作用使系統的反應穩定下來：他們迫使系統以同一個周期響應，這就是時間晶體的行為。」

這類系統或許最終會對量子計算機和量子探測器的開發產生決定性的作用，Lukin說，因為它們讓我們看到，較長的量子記憶時間和非常高的量子比特密度這兩個決定性的性質，是可以共存的。「在很多的應用中，我們都想同時擁有上面兩個性質，」他說，「但是這兩個性質的要求通常是互相矛盾的……這是一個非常常見的問題。當前的這個工作表明，我們可以做到同時實現兩種性質。雖然還有很多工作需要完成，但是我們相信這些效應也許能幫助我們製造新一代的量子探測器，而且從長遠看，這也許還能帶來其他方面的應用，如原子鐘等。」

注釋

[1] 團隊成員包含博士後Renate Landig和Georg Kucsko，特聘研究員（Junior Fellow）Vedika Khemani，以及哈佛大學物理系研究生Soonwon Choi、Joonhee Choi和周恆昀（Hengyun Zhou）。

本文經哈佛大學媒體辦公室授權翻譯。

原文發表於2017年4月17日的Science Daily，題目為Creating time crystals

原文鏈接：https：//www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170417155014.htm

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