近日，科学家们建立了一个多体局部离散时间晶体，持续了大约 8 秒，对应 800 个振荡周期。他们使用了一种基于钻石的量子计算机。

时间晶体是一种四维以上的空间晶体晶格，在时空中拥有一种超短程的周期性结构运动。时间晶体的主特质是超对称粒子的超对称破缺即 CPT 破坏，并粒子组合在空间轴线做非平移运动，揭示了‘超额外维度’粒子的客观存在。

时间晶体是一种特殊的物质状态，它永远处于运动状态，无限期地，不吸收任何能量。它违背了经典物理学最神圣的原则之一：热力学第二定律。该定律指出，熵或无序的数量总是趋于增加。

时间晶体实际上是一个相当新的想法，其理论在 2012 年由诺贝尔奖获得者物理学家 Franck Wilczek 首次提出。当时并非所有物理学家都接受该理论。

研究人员使用量子计算机创造了一种时间晶体，他们认为这在物理世界中牢固地建立了时间晶体。

这次的成果首次在 arXiv 上发布时，被谷歌、斯坦福和普林斯顿的研究人员使用谷歌的超导量子计算机 Sycamore 几乎同时实验重复出来。演示实验使用了 20 个由超导铝条制成的量子位，持续了大约八分之一秒。

谷歌量子计算团队在2019年首次实现了量子优越性，因超越常规计算机的能力登上了《自然》封面。不过当时展示的算法是为了速度目标而设计的，并不具有基础科学探索意义。新的时间晶体研究标志着量子计算机第一次站在了前人无法企及的高度。

结果表明，固体中的自旋缺陷为实验研究这些重要且开放的统计物理学问题提供了一个灵活的平台。

该研究论文题为 "Many-body-localized discrete time crystal with a programmable spin-based quantum simulator"，已发表在《科学》期刊上。

在物理学家看来，时间晶体是一种非常神奇的物质，因为它们不受热力学第二定律的约束，而这可是物理学最牢不可破的定律之一。该定律指出，熵永远处于递增状态。要想提高有序性，就必须增加能量才行。

这种始终朝无序发展的倾向可以解释很多现象，例如为何将配料混合在一起很容易，但将混合物分开就很困难，或者口袋里的耳机线为何总是绕成一团。

该定律也决定了时间箭头的方向：过去的宇宙永远比目前的宇宙更加有序。例如，如果将电影倒放，看起来就很诡异，因为这种熵的流动方向是与你的直觉相违背的。

但时间晶体并不遵循这一定律。它并不会逐渐达到热平衡状态（即能量或温度在其周围均匀分布），而是会卡在两种处于热平衡之上的能态之间，并且在这两种状态之间无限来回切换。

为了解释这种现象有多么异乎寻常，我们来举一个例子：假设有一个密闭的盒子，里面装满了硬币，然后被摇晃一百万次。随着这些硬币在盒子里来回弹跳，它们会“变得越来越混乱，把所有可能的排列方式都经历一遍”，直到晃动停止。

打开盒子后，里面的硬币全部以随机方式排列，大约一半朝上、一半朝下。无论盒子里的硬币最初是如何摆放的，我们都可以预见到，最终它们都会呈现为这种无序的、一半朝上一半朝下的状态。

在量子处理器这个“盒子”中，我们可以将量子比特视为刚才所说的硬币。就像硬币可能正面朝上或反面朝上一样，量子比特也可能为 0 或 1、或者这两种状态的叠加态。

时间晶体的奇异之处在于，无论“摇晃”多少次、或者在两种状态之间切换多少次，时间晶体的量子比特都无法转化为最低能态（相当于硬币的随机排列），它们只能从开始状态跳跃到第二种状态、然后再跳回来。

时间晶体最终不会呈现为随机形态，而是会困在两种状态之间。就好像它记得自己最开始的状态，然后不断重复这一规律一样。从这一角度来说，时间晶体就如同一个永不停止摇摆的摆锤。

“并不是说，如果没有刚好达到 180°，一切就全毁了。”研究人员指出，“即使犯点小错误，时间晶体依然能神奇地翻转过来。”