沒(méi)有摩擦的自發(fā)振蕩“永動(dòng)機(jī)”——量子時(shí)間晶體
物理學(xué)家們創(chuàng)造出一種新的物態(tài)形式，這種物態(tài)也許是發(fā)展新型量子機(jī)器的鑰匙。
來(lái)源 哈佛大學(xué)
翻譯 袁竹君（北京大學(xué)）
編輯 丁家琦
審校 周恒昀（哈佛大學(xué)物理系博士生、論文作者之一）
主編點(diǎn)評(píng)
我們的世界有豐富多彩、各種各樣的物質(zhì)態(tài)。這些不同的物質(zhì)態(tài)，是由它們的對(duì)稱性來(lái)區(qū)分的。例如液態(tài)具有最高的對(duì)稱性，平移任何距離都把液態(tài)變成它自己。而晶體則有較低的對(duì)稱性，只有在平移某一個(gè)特定的距離時(shí)，晶體才保持不變。晶體中這一平移對(duì)稱性的破缺，正對(duì)應(yīng)于晶體中原子在空間的各種各樣的分布圖案。這一對(duì)稱性破缺的看法，使我們對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)，有了一個(gè)深刻的理解。我們甚至可以利用晶體這些較低的對(duì)稱性，對(duì)所有可能的晶體形態(tài)，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(tài)。
液體和晶體在時(shí)間上都有很高的對(duì)稱性，時(shí)間平移任何時(shí)段它們都不變。也就是說(shuō)，液體和晶體，都是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定態(tài)。那我們有沒(méi)有在時(shí)間上平移對(duì)稱性破缺的物質(zhì)態(tài)——時(shí)間晶體？（所謂時(shí)間晶體，就是在時(shí)間上自發(fā)產(chǎn)生振蕩。）
答案是有，而且時(shí)間晶體（時(shí)間上的自發(fā)振蕩）是一個(gè)非常常見(jiàn)的現(xiàn)象。一個(gè)老式的擺鐘，上了發(fā)條之后，鐘擺就會(huì)自己周期性擺動(dòng)，產(chǎn)生自發(fā)振蕩，這就是一個(gè)時(shí)間晶體。任何電子表、智能手機(jī)中，都有一個(gè)電子振蕩器。電子振蕩器也是一個(gè)時(shí)間晶體。
可為什么這篇文章把時(shí)間晶體稱為新發(fā)現(xiàn)呢？實(shí)際上，這篇文章講的，是一個(gè)不發(fā)熱的時(shí)間晶體。自發(fā)振蕩不是新現(xiàn)象，不發(fā)熱才是新現(xiàn)象。網(wǎng)上很多介紹時(shí)間晶體的文章，只強(qiáng)調(diào)自發(fā)振蕩這一舊的現(xiàn)象，卻沒(méi)有（或很少）強(qiáng)調(diào)不發(fā)熱這一新現(xiàn)象。
所謂不發(fā)熱，就是不消耗能量。通常大家認(rèn)為任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生摩擦力，都會(huì)發(fā)熱并消耗能量。所以，一個(gè)不產(chǎn)生摩擦力的自發(fā)振蕩，的確是一個(gè)令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。在某種意義下，一個(gè)不發(fā)熱的時(shí)間晶體也可以看成是一個(gè)自發(fā)振蕩永動(dòng)機(jī)。另外，不發(fā)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(jì)算中會(huì)有很多用處。
這篇文章介紹了哈佛一個(gè)研究小組的工作。之前其它幾個(gè)研究小組也有類似的發(fā)現(xiàn)。
——文小剛
普通石英晶體（圖片來(lái)源：pixabay）
傳統(tǒng)上的晶體指的是三維格子上原子們簡(jiǎn)單的周期性排布，鹽、糖，甚至鉆石都屬于此類。而時(shí)間晶體則在原子的空間周期性的基礎(chǔ)上，再加上第四個(gè)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(shí)間上也會(huì)出現(xiàn)周期結(jié)構(gòu)。
由哈佛大學(xué)物理學(xué)教授Mikhail Lukin和Eugene Demler領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)[1]制造出了一個(gè)量子體系，其用一小片金剛石制成，上面嵌有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)原子尺度的雜質(zhì)——氮-空位（記為NV）色心。然后，他們用微波脈沖迫使這個(gè)系統(tǒng)脫離平衡，造成NV色心的自旋以非常準(zhǔn)確的間隔翻轉(zhuǎn)——這是時(shí)間晶體的關(guān)鍵標(biāo)志之一。這個(gè)工作發(fā)表在3月8日的《自然》（Nature）雜志上。
文章的通訊作者Lukin表示：“制造出時(shí)間晶體的重要意義不只是證明了一個(gè)‘以前只存在于理論上’的材料是能實(shí)現(xiàn)的，而更是因?yàn)樗o物理學(xué)家打開(kāi)了一扇誘人的窗口，幫助我們研究非平衡態(tài)系統(tǒng)的行為?！?/span>
“如今，關(guān)于非平衡態(tài)下量子系統(tǒng)的物理學(xué)研究前景十分廣闊，有很多工作正在進(jìn)行中，” Lukin 說(shuō)，“這是一個(gè)與多種量子技術(shù)切身相關(guān)的領(lǐng)域，因?yàn)橐慌_(tái)量子計(jì)算機(jī)基本上就可以被描述為一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的量子系統(tǒng)。這是非常前沿的研究……而我們剛剛涉及到表面的一些皮毛?！?/span>
理解這種非平衡態(tài)系統(tǒng)不僅能從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度幫助研究人員走上量子計(jì)算的道路，制造出這一時(shí)間晶體背后的技術(shù)或許還能帶來(lái)很多近期的應(yīng)用。
“我們認(rèn)為這個(gè)技術(shù)在一個(gè)領(lǐng)域可能會(huì)派上用場(chǎng)，這就是精確測(cè)量領(lǐng)域，這也是我們這個(gè)工作的最初動(dòng)機(jī)之一?！盠ukin 說(shuō)?！昂髞?lái)我們發(fā)現(xiàn)，利用NV色心的自旋可以制成磁場(chǎng)探測(cè)器，”他說(shuō)，“所以，我們創(chuàng)造的非平衡態(tài)物質(zhì)是可能派上實(shí)際用場(chǎng)的?！?/span>
然而，在一開(kāi)始，很多人懷疑這類系統(tǒng)根本不可能被制造出來(lái)。事實(shí)上，幾位學(xué)者（Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa）甚至已經(jīng)證明，在平衡態(tài)時(shí)，一個(gè)量子系統(tǒng)是不可能成為時(shí)間晶體的。
“我們生活中的大多數(shù)事物都是平衡態(tài)的，”Lukin 解釋道，“這意味著如果你把一個(gè)熱的物體和一個(gè)冷的物體貼在一起，它們的溫度最后就會(huì)趨向于相等。但是，不是所有的系統(tǒng)都這樣?！?/span>
一種最常見(jiàn)的非平衡態(tài)材料，就是很多人日常會(huì)穿戴的東西——鉆石。作為一個(gè)碳在極高溫高壓條件下形成的晶體形式，鉆石之所以不常見(jiàn)，就是因?yàn)樗莵喎€(wěn)態(tài)的。這意味著一旦它形成這種晶體形式，就會(huì)保持這種狀態(tài)，即便在去掉高溫高壓條件以后。
Lukin說(shuō)，一直到最近，研究者才意識(shí)到非平衡態(tài)系統(tǒng)，特別是那些“可驅(qū)動(dòng)”的系統(tǒng)（即研究者能用周期性能量脈沖“驅(qū)動(dòng)”的系統(tǒng)），能展示出時(shí)間晶體的特質(zhì)。這些特質(zhì)中的一種，就是晶體對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)在時(shí)間上是穩(wěn)健的（robust）——即有抵抗擾動(dòng)的傾向。
“一個(gè)固態(tài)晶體是堅(jiān)硬的，如果你壓它，也許原子之間的距離有一點(diǎn)點(diǎn)改變，但是晶體本身能存留下來(lái)，”他說(shuō)，“而時(shí)間晶體的想法就是在時(shí)間域上有這種秩序性，而且對(duì)于擾動(dòng)必須是穩(wěn)健的?！?/span>
“時(shí)間晶體另外一個(gè)重要的特性是，通常，如果你迫使一個(gè)系統(tǒng)遠(yuǎn)離了平衡，它就將開(kāi)始發(fā)熱，但是這類系統(tǒng)能抵抗這種發(fā)熱，”Lukin補(bǔ)充道，“事實(shí)證明，時(shí)間晶體效應(yīng)與這樣一個(gè)想法十分接近：系統(tǒng)被激發(fā)了，但是不吸收能量。”
為了制備這樣一個(gè)系統(tǒng)，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，以致于它看起來(lái)不是透明的了，而是黑色。
“我們把這個(gè)鉆石放到微波脈沖下，這可以改變NV色心自旋的朝向，”Lukin解釋道，“這能作用于幾乎所有朝上的自旋，讓它們轉(zhuǎn)而朝下，然后下一個(gè)脈沖再使得它們?nèi)砍稀！?/span>為了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)健性，Lukin和他的同事們改變了脈沖的時(shí)間，去看這材料是否能保持時(shí)間晶體一樣的響應(yīng)。
“如果不能每次調(diào)轉(zhuǎn)所有自旋全部向上或向下，系統(tǒng)很快就會(huì)變成完全隨機(jī)的，” Lukin說(shuō)，“但是，NV色心間的相互作用使系統(tǒng)的反應(yīng)穩(wěn)定下來(lái)：他們迫使系統(tǒng)以同一個(gè)周期響應(yīng)，這就是時(shí)間晶體的行為。”
這類系統(tǒng)或許最終會(huì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)和量子探測(cè)器的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生決定性的作用，Lukin說(shuō)，因?yàn)樗鼈冏屛覀兛吹?，較長(zhǎng)的量子記憶時(shí)間和非常高的量子比特密度這兩個(gè)決定性的性質(zhì)，是可以共存的?！霸诤芏嗟膽?yīng)用中，我們都想同時(shí)擁有上面兩個(gè)性質(zhì)，”他說(shuō)，“但是這兩個(gè)性質(zhì)的要求通常是互相矛盾的……這是一個(gè)非常常見(jiàn)的問(wèn)題。當(dāng)前的這個(gè)工作表明，我們可以做到同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種性質(zhì)。雖然還有很多工作需要完成，但是我們相信這些效應(yīng)也許能幫助我們制造新一代的量子探測(cè)器，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這也許還能帶來(lái)其他方面的應(yīng)用，如原子鐘等?！?/span>
注釋
[1] 團(tuán)隊(duì)成員包含博士后Renate Landig和Georg Kucsko，特聘研究員（Junior Fellow）Vedika Khemani，以及哈佛大學(xué)物理系研究生Soonwon Choi、Joonhee Choi和周恒昀（Hengyun Zhou）。
本文經(jīng)哈佛大學(xué)媒體辦公室授權(quán)翻譯。
原文發(fā)表于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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