一项新发现引入了“时间晶体”和“时间准晶体”，它们以永动机运行，可能会改变量子计算和精密测量。

       华盛顿大学的物理学家通过创造一种称为“时间晶体”的新物质相和更先进的“时间准晶体”，在量子力学领域取得了进步。

      这些开创性的材料通过保持永动机来挑战传统物理学，并通过提供一种稳定、节能的时间测量和存储量子信息的方法，彻底改变量子计算和精确计时。

      时间水晶

      圣路易斯华盛顿大学 （WashU） 的物理学家创造了一种新型的时间晶体，这是一种独特的物质相，挑战了对运动和时间的传统理解。

      研究团队包括 Charles M. Hohenberg 物理学教授 Kater Murch 和物理学助理教授 Chong Zu，以及研究生 Guanghui He、Ruotian “Reginald” Gong、Changyu Yao 和 Zhongyuan Liu。其他合作者包括麻省理工学院的 Bingtian Ye 和哈佛大学的 Norman Yao。他们的研究结果于 3 月 12 日发表在该领域的领先期刊 Physical Review X 上。

      在与 The Ampersand 的讨论中，Zu、He 和 Ye 分享了对他们的突破及其对量子科学未来的意义的见解。

        华盛顿大学的物理学家将微波激光器照射到一块金刚石上，以产生时间准晶体，这是一种在时间和空间中重复精确模式的新物质相。

      什么是时间水晶？

      要了解时间晶体，考虑熟悉的晶体（如钻石或石英）会有所帮助。这些矿物的形状和光泽归功于它们高度组织的结构。钻石中的碳原子相互相互作用，形成重复的、可预测的图案。

       Zu 解释说，就像正常晶体中的原子在太空中重复模式一样，时间晶体中的粒子也会随着时间的推移而重复模式。换句话说，它们以恒定的频率振动或“滴答”，使它们结晶为四个维度：三个物理维度加上时间维度。

      时间水晶的独特属性和创造

      时间晶体就像一个永远不需要上链或电池的时钟。“理论上，它应该能够永远持续下去，”Zu 说。在实践中，时间晶体很脆弱且对环境敏感。“我们能够在晶体分解之前观察到晶体中的数百个周期，这令人印象深刻。”

     时间水晶已经存在了一段时间;第一个于 2016 年在马里兰大学创建。华盛顿大学领导的团队更进一步，构建了更不可思议的东西：时间准晶体。“这是一个全新的物质阶段，”Zu 说。

     时间准晶

     在材料科学中，准晶体是最近发现的物质，即使它们的原子在每个维度上都不遵循相同的模式，但它们是高度组织的。同样，时间不同维度的准晶以不同的频率振动，该论文的主要作者 He 解释说。节奏非常精确且高度有序，但它更像是一个和弦，而不是一个音符。“我们相信我们是第一个创造真实时间准晶体的团队，”他说。

      时间准晶的制备与应用

     该团队在一小块毫米大小的钻石中构建了准晶体。然后，他们用氮束轰击钻石，这些氮束的威力足以敲掉碳原子，留下原子大小的空白。电子移动到这些空间中，每个电子都与其相邻的电子发生量子级相互作用。Zu 和同事使用类似的方法来构建量子金刚石显微镜。

     时间准晶体由钻石中超过 100 万个空位组成。每个准晶体的直径大约为 1 微米（千分之一毫米），如果不用显微镜就无法看到。“我们使用微波脉冲来启动准晶体的时间节奏，”Ye 说。“微波炉有助于及时创造秩序。”

     时间晶体和准晶体的潜在用途和未来

    Zu 说，时间晶体和准晶体的存在本身就证实了量子力学的一些基本理论，因此它们在这方面很有用。但它们也可能有实际应用。因为它们对磁力等量子力很敏感，所以时间晶体可以用作永远不需要充电的持久量子传感器。

     时间晶体还提供了一种实现精确计时的新途径。手表和电子产品中的石英晶体振荡器容易漂移，需要校准。相比之下，时间晶体可以保持一致的滴答声，能量损失最小。时间准晶体传感器可能会同时测量多个频率，从而更全面地了解量子材料的寿命。首先，研究人员需要更好地了解如何读取和跟踪信号。他们还不能用时间水晶精确地分辨时间;他们只能让它滴答作响。

     因为理论上时间晶体可以永远滴答作响而不会损失能量，所以人们对将其能力用于量子计算机非常感兴趣。“它们可以长时间存储量子内存，本质上就像 RAM 的量子类似物，”Zu 说。“我们离那种技术还有很长的路要走，但创造一个时间准晶体是关键的第一步。”