晶體由於空間平移對稱性的破壞而產生。 類似地，平移對稱性也可以在時間上打破，從而出現離散的時間晶體。時間晶體（英語：Time crystal）的概念首先由諾貝爾物理學獎得主弗朗克·韋爾切克於2012年提出，在2017年觀察到，它是物質在時間上重複地排列。
普通晶體，例如鑽石或鹽，會在空間中重複其原子自組織，但時間上不會顯示任何規律性。時間晶體會自我組織並按時間重複其模式，這意味著它們的結構會隨著時間的推移而周期性的變化。時間晶體聽起來好像屬於科幻小說，但它可能是量子網絡研究的下一個重大飛躍。
日本的一個科學家團隊提出了一種使用時間晶體來模擬具有很少計算能力的大型網絡的方法。該最新研究成果論文，題為：「用時間晶體模擬複雜的量子網絡」，發表在最近的《科學進展》上。
該論文主要作者之一、美國國家信息學研究所和研究生院教授根本香絵說：「時間晶體的探索是一個非常活躍的研究領域，並且已經實現了多種多樣的實驗實現。」 「但是，尚缺乏對時間晶體的性質及其表徵以及一組建議的應用程式的直觀完整的了解。在該研究論文中，我們提供了基於圖論和統計力學的新工具來填補這一空白。」
根本香絵，英文名：Kae Nemoto，是著名的日本理論物理學家，以其在光子學、超輻射、量子能量傳輸、線性光學、和量子計算方面的研究而聞名於世，她是美國國家信息學研究所全球量子信息科學研究中心主任、美國物理學會和物理學院院士，美國物理學會評價她：「是開拓了量子信息處理和通信的量子光學實現理論的先驅」。
根本香絵和她的團隊專門研究了時間晶體的量子性質，它們如何以可預測的重複模式在時刻之間移動，可以用來模擬大型專用網絡，例如通信系統或人工智慧。
研究團隊介紹了使用一種圖論工具來描述、表徵和探索與物質這一階段有關的物理現象的方法。 圖形的分析允許可視化時間晶體的順序並分析量子系統的特徵。 例如，詳細研究了周期為2的離散時間晶體的最小模型的熔化過程，並根據相關圖結構的演化對其進行了描述。
如下面動畫所示用時間晶體模擬複雜的量子網絡。視頻以完美的時光開始。隨著時間的流逝，量子系統的參數發生變化，從而使時間晶體開始融化。通過查看網絡，可以看到晶體融化了多少時間。有趣的是，時間晶體無法均勻融化，某些部件的融化速度比其它部分快。在視頻即將結束時，可以看到時間晶體已經完全融化。
論文的第一作者之一、瑪塔·埃斯塔雷拉斯（Marta Estarellas）說：「在古典世界中，這是不可能的，因為它需要極為大量的計算資源。」 「我們不僅帶來了一種表示和理解量子過程的新方法，而且以另一種方式來看待量子計算機。」
量子計算機可以存儲和處理多種信息狀態，這意味著它們可以通過同時解決多個潛在結果而以相對較少的功能和時間來處理大量數據集，而不是像傳統計算機那樣一一對應。根本香絵表示，「我們能否使用這種網絡表示及其工具來理解複雜的量子系統及其現象，並識別其應用？」 「在這項工作中，我們證明：答案是肯定的。」
研究表明，在融化過程中，網絡演化表現出一種新興的優先依附機制，與無標度網絡的存在直接相關。 因此，該研究策略允許提出時間晶體作為複雜量子網絡的量子模擬器的先前未曾探索的廣泛應用。
研究人員計劃在對方法進行實驗測試後，使用時間晶體探索不同的量子系統。有了這些信息，他們的目標是提出實際應用，將指數級的複雜網絡嵌入到幾個量子位中。
根本香絵說：「將這種方法與幾個量子比特一起使用，就可以模擬一個複雜的網絡，其規模相當於整個全球網際網路的大小。」
對時間晶體的探索是當今一個非常活躍的研究領域，它應用於離子阱、偶極自旋雜質、有序偶極多體系統、超冷原子、核能等領域。在分子中已經實現了自旋1/2矩。但是缺乏對時間晶體的性質及其表徵以及一組建議的應用程式的直觀和完整的了解。該研究團隊提出了一個新的方法研究與理解對稱性破碎階段及其相關現象，描述了時晶順序及其熔化。
對時間晶體的此類網絡的模擬將具有廣泛的適用性，範圍涉及對通信或網際網路網絡中存在的行為的研究和理解、深度學習新算法的開發、或生物系統中遺傳和神經結構的分析等。
參考：Simulating complex quantum networks with time crystals,Science Advances.16 Oct 2020. DOI: 10.1126/sciadv.aay8892