可对抗物理学的“时间晶体”是什么？探究时间晶体背后的科学根据7月28日发表在Arxiv上的一篇

根据7月28日发表在Arxiv上的一篇研究文章称，科学家们使用谷歌Sycamore量子处理器核心内的量子位（传统计算机位的量子计算版本）创建了大约100秒的时间晶体，今天我们就来聊聊谷歌时间晶体背后的科学。

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什么是时间水晶？
时间晶体是一种四维以上的空间晶体晶格，其与周围环境保持非平衡态，呈现时间平移对称破缺的特性。这个概念最早由诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克于2012年提出。相对于寻常晶体在空间上呈周期性重复，时间晶体则在时间上呈周期性重复而呈现永动状态。时间晶体在时间平移对称上具有自发对称破缺现象。时间晶体也与零点能量和动态卡西米尔效应有关。
我们大多数人都知道什么是普通晶体：一个重复的、刚性的晶格或粒子网格，如原子或分子，它们构成了一个固体、有序的结构。

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▲普通晶体在空间中重复它们的结构/构型，就像刚玉的晶体结构α-Al2O3 。但是时间晶体会及时重复其量子状态。
而时间晶体与普通晶体相反，它没有晶格，没有网格，也没有固体有序的结构。在概念上，时间晶体的重要组成部分是“重复”部分。传统晶体具有在空间中重复的结构，这意味着它表现出平移对称性（如果你在晶体内移动，结构在任何地方看起来都是一样的），而时间晶体应该按时间周期性地重复其配置。

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▲即使处于基态，电子仍然具有非零能量，这意味着随着时间的推移总会有随机运动。只有当系统周期性地返回到准确的原始状态，没有热噪声或其他缺陷时，才能创建时间晶体。
最初，当弗朗克·韦尔切克第一次提出时间晶体这个概念时，由于多种原因，时间晶体被认为是不可能的，因为它违反了热力学第二定律和能量守恒定律，这些定律证明了时间晶体的不可能性。
但理论家们在这些定律中发现了漏洞，并由实验家直接在实验室中创造了它。 2016年，诺曼·姚和他的团队通过一个非常巧妙的计划，想出了一个创造时间晶体的方案。他没有采用一个封闭的、恒定的系统，而是利用一个具有失衡条件的系统，然后，他会从外部“驱动”该系统，使其成为开放而非封闭的系统，并实现被认为不可能的“时间晶体”状态。

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▲作为Ising相互作用强度和自旋回波脉冲缺陷的函数的离散时间晶体的相图。仅在蓝色阴影区域中实现了时间晶体状态，其中x轴是偶极自旋（相互作用强度）， y轴是注入系统的驱动力（脉冲）。
这有点复杂，但你可以想象你有一堆有自旋的原子， “驱动”系统的方法是让系统接受包含缺陷的自旋回波脉冲，但这些脉冲会周期性发生，同时允许相互作用在中间时间随机发生。如果自旋原子和自旋回波脉冲的这些偶极矩的组合以某种方式表现，你可以得到一个时间晶体。
然而，困难的部分是你与系统交互时发生的事情：如果存在能量交换，则该能量会在整个系统内部传递，从而导致由于多体相互作用而失控的热量，而“时间晶体”只会从初始状态振荡离开然后返回到初始状态。只有当你周期性地回到你的初始状态，没有额外的加热并达到一个纯粹的稳态，你才能制造出时间晶体。