物理学家刚刚朝着像是科幻小说中的量子设备迈出了惊人的一步

物理学家刚刚朝着听起来像是科幻小说中的量子设备迈出了惊人的一步。

第一次，孤立的粒子群表现得像被称为时间晶体的奇异物质状态，已被连接到一个单一的、不断发展的系统中，该系统在量子计算中可能非常有用。

在两年前的一篇论文中首次观察到两个时间晶体之间的相互作用之后，这是朝着将时间晶体用于实际目的（例如量子信息处理）的下一步。

时间晶体在几年前的 2016 年才被正式发现和证实，曾经被认为在物理上是不可能的。它们是一种与普通晶体非常相似的物质相，但具有一种额外的、特殊的和非常特殊的特性。

在常规晶体中，原子排列在一个固定的三维网格结构中，就像钻石或石英晶体的原子晶格一样。这些重复的格子在配置上可能不同，但它们表现出的任何运动都完全来自外部推动。

在时间晶体中，原子的行为略有不同。它们表现出及时的运动模式，而这些模式无法通过外部推或推来轻易解释。这些振荡——被称为“滴答声”——被锁定在一个规则和特定的频率上。

从理论上讲，时间晶体在其可能的最低能量状态（称为基态）下滴答作响，因此在很长一段时间内都是稳定和连贯的。因此，在规则晶体的结构在空间中重复的地方，在时间晶体中，它在空间和时间中重复，从而表现出永久的基态运动。

“每个人都知道永动机是不可能的，”英国兰开斯特大学的物理学家和主要作者 Samuli Autti 说。

“然而，在量子物理学中，只要我们闭上眼睛，永动机就可以了。通过这个裂缝，我们可以制造时间晶体。”

该团队一直在使用的时间晶体由称为磁振子的准粒子组成。磁振子不是真正的粒子，而是由电子自旋的集体激发组成，就像通过自旋晶格传播的波一样。

当氦 3 （一种具有两个质子但只有一个中子的氦的稳定同位素）被冷却到绝对零度的万分之一以内时，就会出现磁振子。这产生了所谓的 B 相超流体，一种具有低压的零粘度流体。

在这种介质中，时间晶体形成为空间上不同的玻色-爱因斯坦凝聚体，每个凝聚体都由一万亿个磁振子准粒子组成。

玻色-爱因斯坦凝聚体是由玻色子冷却到绝对零以上的一小部分形成的（但没有达到绝对零，此时原子停止移动）。

这导致它们下沉到它们的最低能量状态，移动极其缓慢，并聚集在一起足够接近以重叠，产生高密度的原子云，就像一个“超级原子”或物质波一样。

当两个时间晶体被允许相互接触时，它们交换了磁振子。这种交换影响了每个时间晶体的振荡，创建了一个可以在两个离散状态下运行的单一系统。

在量子物理学中，可以具有多个状态的物体在被明确的测量确定之前存在于这些状态的混合中。因此，在两态系统中运行时间晶体 提供了丰富的新选择，作为基于量子的技术的基础。

时间晶体作为量子比特部署是一种公平的方式，因为首先要解决大量的障碍。但这些碎片开始到位。

今年早些时候，一个不同的物理学家团队宣布他们已经成功地创造了不需要与周围环境隔离的室温时间晶体。

需要进一步开发时间晶体之间更复杂的相互作用及其精细控制，就像在不需要冷却超流体的情况下观察相互作用的时间晶体一样。但科学家们持乐观态度。

“事实证明，将它们中的两个放在一起效果很好，即使时间晶体一开始就不应该存在，” Autti 说。“而且我们已经知道它们在室温下也存在。”

该研究已发表在《自然通讯》上。