「時間晶體」相互作用首次發現，有望改進原子鐘技術

科學家有史以來第一次觀察到了 「時間晶體」 的相互作用。

這項研究發表在《自然 · 材料學》雜誌上。來自蘭卡斯特大學的第一作者薩穆利·奧蒂（Samuli Autti）博士說：「控制兩種時間晶體的相互作用是一項重大成就。在此之前，沒有人在同一個系統中觀察到過兩個時間晶體，更不用說看到它們之間的相互作用了。受控反應是將時間晶體進行實際應用（如量子信息處理）的第一步。」

圖｜阿爾託大學的旋轉製冷裝置（來源：阿爾託大學 / Mikko Raskinen）

該成果可能會在量子信息處理領域得到應用。眾所周知，保護量子位的相干性是阻礙強量子計算機發展的主要困難，而時間晶體具有在不同的條件下自動保持完整 - 相干的特性。

時間晶體的相互作用

時間晶體不同於常規的晶體類金屬或巖石。常規晶體由原子在空間中呈周期性重複排列而成，而時間晶體則在時間上呈周期性重複，這使得時間晶體呈現永動狀態。時間晶體有一種奇異的特性，即在沒有外部輸入的情況下，在時間內不斷重複運動。它們的原子不斷地振蕩、旋轉，或者先向一個方向運動，然後再向另一個方向運動。

在這項最新研究中，來自蘭卡斯特大學、耶魯大學、倫敦皇家霍洛威大學和阿爾託大學的國際研究小組使用 He-3 觀測了時間晶體。He-3 是缺失一個中子的罕見的 He 同位素。這一實驗是在阿爾託大學進行的。

研究人員將超流體 He-3 冷卻到接近絕對零度（0.0001K 或 - 273.15℃）。隨後研究人員在超流體中製造了兩個時間晶體，並讓它們相互接觸。之後，科學家們觀察到兩個時間晶體相互作用，並交換組成粒子：粒子從一個時間晶體流向另一個時間晶體，然後返回。這種現象被稱為約瑟夫森效應。

8 年時間快速發展

量子化時間晶體的概念是由諾貝爾獎得主弗蘭克 · 維爾澤克（Frank Wilczek）在 2012 年首次提出的。

後來的研究為時間晶體制定了更精確的定義。科學家已經證明，如果只涉及局部相互作用，時間晶體就不可能處於平衡狀態。

然後 2014 年，克里斯多福·薩查（Krzysztof Sacha）預測了離散時間晶體在一個周期性驅動的多體系統中的行為。

2016 年，諾曼·姚（Norman Yao）等人提出了在自旋體系中製作離散時間晶體的不同方法。克里斯多福·門羅（Christopher Monroe）和米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）分別在實驗室證實了這一點。這兩項實驗都發表在 2017 年的《自然》雜誌上。

2019 年，理論上證明了量子時間晶體可以在多粒子長期相互作用的孤立系統中實現。

時間晶體具有很大的實際應用潛力。它們可以用來改進目前的原子鐘技術。原子鐘是一種複雜的時鐘，它能達到的目前為止最精確的時間。時間晶體還可以改進諸如陀螺儀之類的技術，以及依賴原子鐘的系統，如 GPS 等。