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什么是时间晶体(应用前景)

原创版权 未知作者:缘起 字体大小选择: [ ]

  时间晶体(英语:Timecrystal)乃一开放系统,其与周围环境保持非平衡态,呈现时间平移对称破缺(英语:timetranslationsymmetrybreaking)的特性。.2017年3月的科学报导指出,此一理论概念已在实验上获得证实;随着时间演进,时间晶体仍无法与环境达到热平衡。时间晶体的概念首先由诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克于2012年提出。.

  中文名:时间晶体

  外文名:Timecrystal

  学科:量子物理学

  特性:时间平移对称破缺

  类别:四维晶体

  这个名字听起来容易让人联想到《信条》、《回到未来》这些操纵时间的科幻大片。然而实际上,时间晶体是一种特殊的物相。实际上,时间晶体是指物质的一种非平衡状态,其可以自发地周期性连续运动,即具有时间平移对称性破缺的特性。乍一看,难道高端版本的永动机出现了?能量守恒的铁律自然不会被打破,那时间晶体该如何存在?本文将带你揭开时间晶体的奥秘。众所周知,空间晶体(也就是通常意义的晶体)中原子排列成空间中的周期性结构,这样的结构破缺了空间本来具有的连续平移对称性。

  什么是时间晶体


  时间晶体是一个新的非平衡态的物相(non-equilibriumstateofmatter),它可以随着时间演化周期性地自我重复,同时自发地破坏连续时间平移不变性,或者破坏离散时间平移不变性。连续时间平移不变性指的是能量守恒,而离散时间平移不变性指的是准能量守恒。因此,通过定义可知有两种:连续时间晶体和离散时间晶体。

  时间晶体是借鉴了通常的(空间)晶体定义的。比如石英晶体,在晶体内原子在三维空间上周期性地排列。时间晶体是特指在时间这一个维度上呈现周期性地“排列”。晶体的定义还有一个很重要的限制,就是这种空间或者时间的周期性是自发的(spontaneous),而不是人为添加的(explicit)。对于时间晶体,也就是说,时间平移不变性自发地被破坏了,系统突然周期性地振荡起来了!

  我们还需要一个条件,就是这个自发的时间晶体周期行为必须是稳定存在的。至少在可观测范围内是稳定的。这个稳定性(rigidity)是针对于热的扰动,周期的扰动,相互作用的扰动等。这个可观测物理量可以是序参量,也可以是一些合适的关联函数[注,有时候序参量并不良好定义]。这个可观测范围,是由具体系统的量子退相干时间,系统的弛豫时间和耗散时间来决定的。

  最后有一点需要指出,就是,时间晶体是一个非平衡态相变。一定不是孤立系统的平衡态行为,请永动机爱好者,放时间晶体一马。通常的晶体是平衡态相变或者非平衡态相变产生,可以不做具体强调。但是,由于时间维度的特殊性,时间晶体的存在必然伴随着非平衡态动力学的过程,能量不再守恒,系统末态不再孤立。由于非平衡态动力学的复杂性会给时间晶体蒙上层层面纱,我们物理学家们常常也看不清,也琢磨不透。

  有时候,物理系统可以按照经典和量子的方式来划分,因此也有另外两种:量子时间晶体和经典时间晶体。这种分类跟上面的对称性分类是交叠的。更具体的时间晶体我们会在介绍具体模型上讨论。

  连续时间晶体的概念提出者是FrankWilczek(PRL2012),而离散时间晶体的概念的提出者应该要归功于KrzysztofSacha(PRA2015)。目前,我们实验上实现的时间晶体都属于离散时间晶体的范畴,包括这次的“悬铃木”。而连续时间晶体呢,一言难尽,充满争议。

  什么造就了时间晶体‍


  如前所述,时间晶体包括在两种稳定的低能量构型之间振荡的晶体。因此,一个双能级系统将是时间晶体最完美的物理起点。读者可能知道,这样一个系统是在现代应用的“粒子自旋”和量子计算机的帮助下实现的。

  因此,我们使用粒子自旋或'自旋子'类粒子的属性作为我们的时间粒子。因此,例如,如果我们有一个电子系统,大约有一半的电子自旋向下,而其他电子自旋向上,这将是我们的时间晶体的一个合适的起点。

  接下来,一个微波脉冲射入该系统,这导致它们改变其自旋方向,而不改变其内部能量。这个最终导致自旋子系统在固定的时间间隔内不断地在两种构型之间振荡,而不会获得或失去能量,这就是一个时间晶体。

  量子计算机是双能级系统,有近乎完美的微波脉冲,而且它们可以模拟量子比特的自旋,那么为什么它们不应该被用于这些实验?

  迷人的应用前景


  这种奇特的量子系统本身就极具吸引力,同时,时间晶体也有一个明显的应用。由于配置不断重复,这个系统将永远不会丢失记忆。也就是说,它永远不会忘记这种初始状态。这就意味着,时间晶体有潜力构成一个完美的量子记忆装置。

  同时,量子计算机虽然已经被预言到了诸多应用前景,但这项研究更加映照出了物理学家理查德·费曼在30年前预想的——利用量子计算机进行基础物理学的研究。

  但作为物质的一个新的相,还有很多关于时间晶体的知识有待了解,我们认识到的越多,它们的应用就越有吸引力。量子计算机作为创造和研究时间晶体的手段,一定会加速科学家在这场新的量子竞赛中的认识。科学家们最近通过量子计算机,制造出了具备较长稳定性的“时间晶体”,虽然目前还不清楚时间晶体是否有实际的用途,但是通过量子计算机强大的微观模拟规则能力,创造出体积更大、较长时间稳定存在的时间晶体,让科学家们对今后研究时间晶体稳定性、可预测性成为了可能,同时还可能对量子计算机信息存贮和运算能力的提升发挥出积极作用。

  参考文献:

  [1]事实上,FrankWilczek在2012年最初提出的时间晶体就是在基态自发破缺时间平移对称性的,这个错误在2013年被PatrickBruno所纠正。

  (原始文献:ImpossibilityofSpontaneouslyRotatingTimeCrystals:ANo-GoTheorem,PatrickBruno,DOI:10.1103/PhysRevLett.111.070402)

  [2]和经典力学中稳态的区别在于,Floquet态经过一个周期后可以相差一个任意的相位因子。

  [3]确切地说,驱动的外场不一定是正弦形式的,但可以分解为一系列傅里叶分量的线性组合,这里的驱动周期指的是某一傅里叶分量的周期。

  [4]观测下的稳定性其实来源于大量粒子之间的关联,由于“死”或者“活”两个状态和猫体内每个原子相关,只需要观测极少数原子的状态就可以使猫坍缩到确定的“死”或“活”状态。

  [5]原始文献:31PNMRstudyofdiscretetime-crystallinesignaturesinanorderedcrystalofammoniumdihydrogenphosphate

  ,JaredRovnyetal.,DOI:10.1103/PhysRevB.97.184301

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