北京時間3月8日消息，據國外媒體報道，提到晶體，我們可能都不陌生。比如我們常見的食鹽，主要成分就是氯化鈉晶體。但是，你知道什麼是“時間晶體”嗎？為什麼研究人員需要用量子計算機來製造一個時間晶體？更進一步，究竟什麼是量子計算機呢？
研究人員在量子計算機中創造出了一種全新物態——時間晶體
比特和量子比特
傳統的比特可以取0或1的值，但量子比特可以取介於兩者之間的一系列復值。
讓我們從日常工作所用的計算機開始。我們身邊到處都是計算機，有些是台式機，有些是便攜式的筆記本，還有一些計算機則可以填滿整個房間，用於模擬複雜的現象，如天氣變化或宇宙演變。
無論計算機的設計樣式如何，它們在基礎層面上都有一個共同的目的：處理信息。這些信息的最小單位是“比特”（bit）——由binary digit（二進制數位）混合而成。計算機以比特的形式對信息進行存儲和處理。
任何具有兩個可識別的不同狀態（稱為“0”和“1”）的物理系統都可以作為1個比特。用適當的方式將許多比特聯繫在一起，我們就可以進行數據演算和邏輯運算，即通常所說的“計算”（computation）。
現在，科學家已經證實，物理世界在非常基礎的層面上是由量子物理的奇怪規則所支配的。我們可以製造出比特的量子版本，稱為“量子比特”（qubit）。量子比特也可以用“0”和“1”兩種狀態來描述，但它們可以同時是“0”和“1”。這使得信息處理的形式更加豐富，計算機也因此變得更加強大。
我們能用量子計算機做什麼？
目前量子計算領域的大部分研究主要集中在兩個方面，一是建造一個可運行的量子計算機，這的確是相當有挑戰性的工程任務；二是集中在算法的設計上，用來實現當前經典計算機無法完成的任務。
也有一些研究者，比如澳大利亞墨爾本大學的凝聚態物理學家斯蒂芬·雷切爾等，則專註於美國著名物理學家理查德·費曼在30多年前首次提出的一種應用：利用量子計算機進行基礎物理學研究。
理論物理學家通常使用紙筆數學運算和計算機模擬相結合的方法來研究物理系統。遺憾的是，傳統計算機在模擬量子物理方面能做的工作十分有限。於是，量子計算機的開發便有了必要性。量子計算機使用量子算法來進行數據操作，“已經是量子的了”，本質上它們的行為與物理學家想要研究的任何量子系統是一樣的。
利用IBM的量子計算機，斯蒂芬·雷切爾等研究者實現了他們的設想。他們將量子計算機變成一個實驗模擬器，創造出了一種新的物質狀態，正如費曼所設想的那樣。這台機器位於美國，但可以被全球的研究人員遠程訪問。
能夠在世界任何地方訪問量子計算機，這本身就代表了這類量子研究的重大轉變。
時間晶體
在傳統晶體中，粒子在空間中有規律地排列；而在時間晶體中，粒子還可以按時間規律地排列。
斯蒂芬·雷切爾等人創造的這種特殊類型的量子系統被稱為“時間晶體”。要理解這種奇特的晶體，關鍵在於理解物質以不同的“相”存在；例如，水具有3種常見的相：冰、水和水蒸氣。一種材料可以有非常不同的性質，取決於我們發現它時處於哪個相。
傳統的晶體——實際上可以稱為“空間晶體”——就是這樣一種物質的相。這種晶體的特點就是粒子在空間中有非常規則的排列。在時間晶體中，粒子不僅在空間上排列非常規律，而且在時間上的排列也非常規律。這些粒子可以從一個位置移動到另一個位置，再移動回來，不會減速或失去能量。這和科學家們通常處理的情況完全不同。
換句話說，時間晶體可以隨時間改變，但是會持續回到它開始時的形態，就是鐘錶的指針會周期性地回到其原始位置。但是，與普通鐘錶和其他周期性過程不同的是，時間晶體和空間晶體同樣是一種最低限度的能量狀態。我們可以將時間晶體視為一隻可以永遠保持走時精準的鐘，即使在宇宙達到熱寂之後也是如此。
超越平衡
我們通常遇到的各種相都有一個共同點：它們處於“熱平衡”狀態。如果你把一杯熱咖啡放在桌面上，它會把熱量傳遞到周圍的環境，直到達到和房間一樣的溫度，然後熱量傳遞就停止了，不再有變化。
但是，如果你小心地在咖啡里加入一層奶油，然後開始攪拌，你就會看到即刻發生的變化。咖啡和奶油會混合成美麗的漩渦，直到整杯液體變成均勻的淺棕色，之後就不會有什麼變化了。
這些都是“平衡”的例子，可以認為，處於平衡狀態的事物通常不會隨着時間而改變。然而，時間晶體違反了這種情況。它會一直處於變化之中，永遠持續下去，永遠不會達到平衡。
熱力學定律的漏洞？
因此，時間晶體構成了一種非平衡相——事實上，時間晶體是這種奇怪物質狀態的第一個例子。本質上，時間晶體就像一個不斷滴答作響的時鐘，既不損失能量，也不需要能量供應來維持運轉。
這看起來很像是永動機，似乎違反了熱力學定律。不過，熱力學第一定律——能量不會被創造或毀滅——在這裡沒有受到任何挑戰，因為我們不能在從時間晶體中提取能量的同時，讓它繼續運轉。在時間晶體中，能量是守恆的，因為沒有任何能量被移走。
熱力學第二定律指出，隨着時間的推移，事物只會變得更加無序。
但這其中存在一個漏洞。熱力學第二定律禁止事物隨着時間變得更加有序，但並沒有說它們不能永遠保持當前的無序狀態。在日常生活中，我們看不到這種漏洞。這就好比在攪拌咖啡和奶油時，卻發現旋轉的奶油從未完全與咖啡混合。
時間晶體便是如此。我們在日常生活中看不到這種量子現象，但是它確實存在。
超越時間晶體
量子計算機仍處於起步階段，但隨着它們的改進，物理學家們有望進一步提高對自然規律的基本理解。在此基礎上，相關的科學發現有可能轉化為技術創新，正如20世紀的物理學成就了數字革命一樣。我們的生活可能也會因此呈現全新的面貌。
量子計算機為物理學家提供了一個平台，用來設計和研究自然界中無法發現的全新物質狀態。構建出時間晶體之後，科學家們將擁有一種更加有效的全新手段，對複雜的物理屬性和大量粒子的複雜相互作用進行研究，或者研究物理學中的“多體問題”——涉及大量粒子構成的微觀系統，且粒子之間有相互作用。
當然，時間晶體也可以用於對量子系統的研究，包括量子糾纏現象。在量子糾纏中，對其中一個粒子進行操作時，另一個粒子也會發生相應的變化，即使二者的距離非常遙遠。（任天）