时间晶体未来应用猜想

文·图/李伟

57 个量子比特——科学家称这是人类迄今为止制造出的最大的时间晶体。什么是时间晶体？它将如何改变我们的生活？

澳大利亚墨尔本大学物理学家菲利普·弗雷和斯蒂芬·瑞秋近日宣布，在IBM的量子计算机上开发出57个量子比特的时间晶体。他们称这是人类迄今为止制造出的最大的时间晶体，其意义在于展示了量子计算机对复杂系统的模拟能力，让以往只能存在于物理学家脑海中的理论模型转化为客观实体。

那么，什么是时间晶体？它将如何改变我们的生活？

从科幻到实践

要认识时间晶体，首先要了解四维空间——三维空间叠加时间维度。四维空间会在一定时间内“有规律地变化”，这意味着其中的物体处于不断轮回的状态。三维世界的物质在没有外力作用的情况下一般会保持稳定状态。例如我们的手机，上一秒钟和下一秒钟是同一个物体。而在四维空间中，物体不断发生变化，经过一定时间后再变回原样，周而复始。

物理学界一度认为，四维空间物体只存在于假设和科幻作品中，永远不可能出现在现实中。然而，2012年，诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克率先提出四维空间中存在物体——时间晶体。2016年，由诺曼带领的科研团队成功开发出时间晶体；2021年2月，德国马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员称，他们在时间晶体的研究中取得突破，在常温下用磁振子制成了时间晶体，然后用X射线显微镜首次观察到时间晶体中的原子不断轮回的过程。2021年7月，谷歌公司联合一批科学家，利用“悬铃木”（Sycamore）量子处理器创造出首个可精确计量的时间晶体——20个量子比特。

时间晶体是一种在空间和时间上都具有周期性结构的四维晶体。在我们的日常生活中，常见的是固、液、气三种基本物质形态。随着科技的发展，物质形态的概念也得到扩展，如等离子体形态、波色—爱因斯坦凝聚态、超临界流体等。时间晶体是一种全新的物质形态，也是一种打破时间平移对称性的非平衡态物质。

对于三维空间晶体，人们并不陌生，比如冰块、钻石等。晶体是微观粒子在空间上呈周期性排列的几何对称结构。维尔切克的理论基础是：把三维晶体的概念拓展到四维时空中，让物质在时间的维度上周期性排列。也就是说，时间晶体在不同时刻具有不同的状态，并且这种状态的变化具有周期性。举个通俗的例子：一种时间晶体在第一秒是白糖，第二秒变为红糖，第三秒又变回白糖。

三维晶体具有空间平移对称性。与之类似，时间晶体具有时间平移对称性。所谓空间平移对称性，是指一个物理系统沿空间某一方向平移任意距离后，物理性质不会改变。简单来说，就是在不同地方做相同的实验，得到的结果是相同的。时间平移对称性，指的是在不同的时间做相同的实验，得到的结果也相同。

不是永动机

如果把空间晶体和时间晶体的概念综合起来，就会明白它是一种特殊的物质，可以在四维空间中结晶，形成物体。对于时间晶体，科学家指出它最大的特点——能够永远运动下去。

时间晶体可以实现时间平移对称性，这意味着它会随着时间不停转变自身状态，即处于不断运动的状态。根据三维空间的物理学原理，物体不断运动，说明它有能量消耗，直到能量消耗殆尽就不再运动。时间晶体并非如此。在三维空间中，物体运动时的能量要比静止时高；而对于四维空间中的时间晶体来说，运动时的能量反而比静止时低。这种物体通过能量消耗，可以达到不断运动的基态。

时间晶体就像钟表，其秒针经过60秒会回到原来的位置，并一直循环往复。钟表指针的旋转需要机械能或者电能等外部能量输入，而时间晶体无需外部能量输入，因为它处于最小的能量基态。

时间晶体的特性有点像永动机，但前者的运动是没有外部能量输入的，同时其运动能量也不能对外输出加以利用。所以时间晶体并非永动机，也不能像永动机那样“无中生有”地提供能量。

可能成为精确测距的“尺子”

那么，时间晶体的应用前景在何处？

根据物理学原理，当物质处于绝对零度环境时，只能是静止状态。而时间晶体的出现打破了这一定律——它可以在能量极低的基态下持续运动，且不需要外部输入能量。试想，一个封闭的、无需周期性驱动的系统持续运动，自然有其可应用的领域。

据英国《每日电讯报》报道，科学家下一步将研究如何控制时间晶体的运动，这是它投入实际应用的第一步。

时间晶体具有很大的应用潜力，例如可以用来改进原子钟技术，显示最精确的时间。作为一种高精度的计时装置，原子钟最重要的应用是高准确度的时间计量。如今人们通常根据网络时间来校准自己的时钟，网络时间主要来自铯原子钟，其精度较高，可以达到数千万年只误差1秒的程度，因此被广泛用作基准时钟。时间晶体投入应用后，我们每天从电视、广播或网络得到的报时服务将更加精准，误差小到可以忽略不计。研究人员预估，最守时的时间晶体钟，其精度可达到数亿年只误差1秒的程度。

除了可以作为时间基准之外，时间晶体还可应用在全球卫星定位系统中。目前的卫星定位系统利用精确的三维测距来实现定位。精确的长度测量是通过将其转变为测量电磁波的传播时间来实现的。电磁波是一种高频波，几乎只沿直线传播，当遇到障碍物时会反射。通过测量电磁波往返传播的时间，就可以实现距离的测量。

电磁波是以光速传播的，反射时间极短，一般的计时器根本无法测量这么短的时间。要准确对其进行测量，就需要非常精确的计时装置。

基于时间晶体的时钟将是人类所能掌握的最精确的时钟，可以被用作实现精确测距的“尺子”。未来卫星定位系统的定位精度，很大程度上将取决于时间晶体的应用。卫星定位系统在人们的生产和生活中应用越来越广泛。性能指标不断提高的测距系统，不仅能让人们享受更好的服务，还有可能在未来的宇宙定位、太空探索中发挥重要作用。

时间晶体的另一个应用前景是“永恒的信息存储介质”。未来的某一天，人类可以对时间晶体进行编程，把大脑中的记忆信息传输到时间晶体中，制成时光胶囊。它不消耗能量，能周而复始地运行预先设定的程序。人们可以把一生中最美好、最难忘的回忆和感受存储其中。这样的时光胶囊，即使宇宙进入“热寂”状态，它里面的信息也不会消失。

《每日电讯报》指出，时间晶体将为物理学研究打开一个全新的世界。让爱与回忆超越宇宙的尽头，这或许是它最浪漫的应用。

时间晶体还启发了人们对于宇宙的新思考。它是一种四维晶体，其内部的原子可以一直轮回。这让人们想起《2001太空漫游》等科幻电影中描述的四维空间。它是真实存在的吗？