北京時間3月16日消息，據國外媒體報道，從很多方面來看，科學家就像偵探一樣，在證據中搜索蛛絲馬跡、解開一個又一個謎團。例如，無論是食用鹽還是水晶，所有晶體都由一堆重複排列的原子構成。只要看一眼能體現出規律的幾個原子，便可大致推測出其它原子是如何排列的。
但如果這樣的規律不是體現在空間上、而是在時間上呢？如果各個組成部分之間的相互關係不是“上下左右”、而是“先後”呢？這個反直覺的概念正是時間晶體的基礎，即能夠表現出具有晶體般可預測的重複行為的量子系統。2012年，麻省理工學院物理學家、諾獎得主弗蘭克·韋爾切克在理論上首次預言了時間晶體的存在。在多年的辛苦研究之後，實驗學家一直到2021年才終於造出了一枚時間晶體。不過，一支物理學家團隊最近取得了另一項重大進步：用光線造出了時間晶體。研究報告於今年二月發表在了期刊《自然通訊》上。這項研究將使時間晶體從虛無縹緲的奇物、轉化為實實在在的設備組件。
雖然時間晶體的行為會在時間上不斷重複，但絕不像一台鐘表那麼簡單。鐘錶需要外界能量才能運行，但對時間晶體而言，像鐘錶一樣“滴答滴答”恰恰是它最自然、最穩定的狀態。這與物理學家所理解的熱力學平衡剛好相反，即能量一旦進入某個系統，最後總會無可避免地走向消散，就像一壺燒開後放在室溫下的熱水。而時間晶體就像一壺永遠處於沸騰狀態、且永遠不會冷卻下來的水。從某些定義上來說，時間晶體代表着一種獨特的新物態，最顯著的特徵就是違反熱力學平衡定律、狀態始終不變。這種物質就像自帶節拍器一樣，因此未來或可用在精準計時、或量子信息處理等用途上。
時間晶體已經走出了純理論概念階段，人們已經開始探索其技術應用了。但要想讓更多時間晶體走出實驗室、投入實際應用中，研究人員還有一段漫長而艱辛的路要走。要想弄清某項實驗是否產生了時間晶體，一般要麼需要極其繁雜、令人望而卻步的實驗裝置，要麼得由強大的量子計算機開展審查。
此次研究團隊使用了較為簡單的一種方法，將兩束激光束打入一個直徑一毫米、呈圓盤狀的晶體空腔中。兩束激光會在空腔中來回反彈、不斷相撞。研究人員特意選擇了空腔的形狀，並對激光束的特性加以控制，使得激光反射出的光線產生了任何普通光線都從未形成過的規律：在空腔內部來回反射的激光形成了多個孤立波。這些波具有可以預測的周期性，並且節奏完全匹配，因此可以視作一個時間晶體。
如果一個迷你版的你拿着光線探測器站在空腔出口處，你探測到的光線強度一開始會呈現出周期性變化，具體情況取決於激光束的自身特性。但到了某一時刻，你探測到的光線強度規律會突然改變。就像在電視上看電影時、電影突然開始快進一樣，而且快進的速度似乎是由顯示器中某種看不見的機制決定的，完全不由你控制。我們也能在這些光波中看出一些周期性特徵，但這些周期其實是激光自帶周期的兩倍、三倍或其它整數倍。周期的增長說明出現了一個天生便可為自己計時的量子系統——換句話說，產生了一個以光線為基礎的時間晶體。
N這就像將一根線弔掛在鹽水中來培養鹽晶體一樣。調整激光特性就像調整你放入鹽水中這根線的結構一樣。無論是激光還是線，作用都只在於幫助晶體形成，但晶體的周期性和重複規律則完全由自己決定。
此前的研究利用了各式各樣的“基礎構件”來打造時間晶體。而此次實驗證明，使用激光製造時間晶體更具有實際優勢。最重要的是，該團隊創造的時間晶體在相對普通的環境下也可以正常運作。大多數量子態物質必須在超低溫等極端條件下才能體現出量子特性，一旦離開實驗室，就會變得平平無奇。此次實驗非常重要，因為它是在相對較高的溫度下進行的，更加接近我們在日常生活中觀察到的各種複雜過程。
此次研發的時間晶體在現實世界中表現得十分“強韌”，這個系統也會隨機地流失能量，也會漸漸產生噪音（就像看電影時電視過熱、屏幕上出現雪花一樣），但這其實還增強了系統的穩定性。一般來說，這兩個問題都會試圖破壞系統的晶體性，為避免這類外來擾動，時間晶體一般必須與環境嚴格隔絕，但新系統卻在其中找到了平衡。
由於能量流逝和噪音通過“密謀”、實現了互相牽制，此次研發的時間晶體很有可能在未來被投入實際應用。製造這種時間晶體也要用到一些基礎構件，不過數量很少，使用的裝置架構還是比較簡單的，對許多研究團隊來說應該不成問題。希望在未來的研究中，無論是對基礎物理研究和、還是精準計時等實際應用，這種簡單且耐用的設計都能起到關鍵作用。
作為計時裝置，以激光為基礎的時間晶體的準確度也許比當前最流行的原子鐘略有遜色。但它的穩定性和簡潔性卻很適合用在通訊或計算裝置上，因為這些設備既需要精準計時，又不能太過脆弱，在實驗室以外的普通環境中也要正常運作。此外，一些常用的電子元件生產技術或許還能將時間晶體整合到芯片中，使該系統更容易與現有的消費者產品適配。
物理學家可以用幾十年來研究傳統空間晶體的方法研究大型時間晶體，判斷時間晶體在存在特定缺陷、或暴露在過度能量中時，是否會出現令人意外的行為。這些行為在小型晶體中一般難以探測，而此次的激光系統可以達到較大規模，為這一研究領域打開了一扇全新的大門。這是一類全新的物態，還是一片處女地，一個等待我們發現的新世界。（葉子）