科學家發現時間晶體揭示全新物質狀態

Google 最近利用其 Sycamore 量子電腦創造了世界上第一顆時間晶體。時間晶體是一種粒子系統，能在沒有任何能量損失的情況下表現出周期性運動。它在不同狀態之間無限循環，基本上實現了永續運動，長久以來被認為是不可能的。

這種獨特行為可歸因於時間晶體是第一種打破時間平移對稱性的材料。為了探討這意味著什麼，我們先來看看普通晶體以及它們如何以類似方式打破空間平移對稱性。

若一物體在平移後保持不變，則該物體表現出平移對稱性。以所有整數集合為例，將數線向任一方向平移並不改變整數集合，因此它表現出一種平移對稱性。

更直觀地說，想像一個無限的二維平面。無論你走向哪個方向，都會看到完全相同的景觀：這是對稱性另一種體現。

空間本身總是具有平移對稱性：空間平移對稱性。在空間中移動不會改變物體的性質或行為；真空中的粒子無論位置如何都會表現相同。諾特定理指出，這種對稱性構成了我們世界中動量與能量守恆的基礎。

像鑽石這樣的晶體則不同。雖然由高度有序的晶格組成，且受模式驅動，但晶體打破了空間平移對稱性。通過晶體運動的粒子會根據其相對位置經歷截然不同的動力學。

只有在沿著晶體的主對稱晶軸以離散間隔平移時，粒子才會表現相同的行為。這些間隔必須是晶格中原子間距的倍數。否則，粒子將不會保持其動力學。

這表明晶體具有離散平移對稱性，而非連續平移對稱性，從而打破了典型的空間平移對稱性。再次強調，區別在於晶體呈現離散對稱性，而空間則呈現連續對稱性。

我們可以進一步透過將水凍結成晶格來打破晶體的離散對稱性。由於水的動力學在晶體內部不同，它會在結構內形成較不對稱的子晶格。由於對稱性普遍降低，系統原有的離散平移對稱性消失。

正如我們能打破空間對稱性，我們也能利用時間晶體打破時間對稱性。

與具有周期性空間排列的晶體相比，時間晶體在時間上具有無限周期性運動。它們無限循環經過一系列狀態，意味著沒有能量損失。事實上，時間晶體存在於基態，起初幾乎沒有能量。大多數時間晶體需要能量注入來改變狀態，但不吸收淨能量。

假設啟動時間晶體運動需要能量注入。由於我們現在處於量子力學領域，能量變得離散。系統可加入的最小能量稱為能量量子。若隨時間向系統添加超過能量量子的能量，它往往會均勻分佈於能級與原子之間，極大地減慢系統的升溫。

這種潛在的熱釋放被稱為多體局域化的過程所捕捉，將系統的能量損失降至零，儘管時間晶體似乎呈現永續運動：運動通常會產生熱。實際上，時間晶體在能量注入過程中仍會升溫，因此必須有部分能量被耗散才能達到永久穩定。

時間平移對稱性指出，若未受外力作用，穩定物體不會隨時間改變。時間晶體無限振盪，未見熵增，且穩定，構成對此對稱性的破缺。它們既穩定又隨時間變化。正如晶體以離散方式打破連續空間平移對稱性，時間晶體在時間領域亦作類似之舉。

由於其獨特性，時間晶體被稱為新型物質狀態。其特定性質將可能在未來被用於量子資訊處理。其他應用，例如精確測量時間，亦可能適用，因其永恆的週期性。

研究人員亦在推測如何在創建過程中消除能量注入步驟，進一步接近真正的時間晶體。