科學家造出「時間晶體」：或有助於量子計算機研發

物理學家發明了一種名叫「時間晶體」的新型物質狀態，其中原子不按空間、而是按時間排列。科學家一度認為這種物質不可能真正存在，但近日兩項研究各自獨立地造出了時間晶體。

物理學家發明了一種名叫「時間晶體」的新型物質狀態，其中原子不按空間、而是按時間排列。科學家一度認為這種物質不可能真正存在，但近日兩項研究各自獨立地造出了時間晶體。

物理學家指出，這些晶體「為我們敞開了非均衡態物質的大門」，未來或能用於研製超級安全的量子計算機。在冰和鑽石等常見晶體中，原子在空間內按一定規律重複排列。而在時間晶體中，原子在時間軸上進行周期性排列。

在冰和鑽石等常見晶體中，原子在空間內按一定規律重複排列。而在時間晶體中，原子在時間軸上進行周期性排列。研究人員指出，時間晶體的特性也與天然晶體大相徑庭。

研究人員指出，時間晶體的特性也與天然晶體大相徑庭。馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI）與加州大學伯克利分校組成合作團隊，在一條由10個鐿離子構成的離子鏈中，用激光誘發了三種不同反應，從而造出了時間晶體。他們用激光脈衝轟擊原子離子，激發出磁場，然後用另一道激光稍微翻轉原子的自旋方向。這一過程不斷重複，最終創造出了按時間排列的重複翻轉結構。

此外，該團隊發現這些離子的響應頻率較低，正好為激光脈衝頻率的一半。就好像一秒敲兩次琴鍵、但只發出一次聲音。另一組研究人員來自哈佛大學，他們與加州大學伯克利分校物理學家Norman Yao開展了合作研究，在合成鑽石中利用人工晶格造出了時間晶體。雖然上述兩種研究方法不同，但最後都造出了具有時間晶體特性的材料。構成這些奇特的「時間晶體」的原子永遠不會達到熱平衡狀態。它們的結構在時間軸上不斷重複，做周期性「振蕩」動作，就像不斷晃動的果凍一樣。

馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI）與加州大學伯克利分校組成合作團隊，在一條由10個鐿離子構成的離子鏈中，用激光誘發了三種不同反應，從而造出了時間晶體。

但研究人員指出，僅讓原子重複排列是不夠的。「如果你把一堆撞球放在桌面上、每個之間相隔10厘米，這就算是晶體了嗎？」該研究的主要作者、馬里蘭大學聯合量子研究所的研究人員Jiehang Zhang反問道，「並不算，因為你如果搖晃桌子，這些撞球就會掉下來。」

要想將原子牢牢結合在一起，晶體必須有穩定的振動頻率。時間晶體的概念最初由物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）於2012年提出，他認為該物質可打破時間的平移對稱性。近期取得一系列突破之後，物理學家稱這種新物質狀態可對未來量子計算機的研發產生積極影響。

「這種奇異的物質狀態是眾多量子控制在單個原子級別上產生複雜相互作用的結果。」馬里蘭大學物理學教授、聯合量子研究所研究員克里斯托弗·孟羅（Christopher Monroe）指出，「但特定的固態元件也可造出時間晶體。因此我們若能更好地理解這一現象，便可在未來的量子設備中予以應用。」

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