【為什麼我們要挑選這篇文章】Google、IBM、Intel、微軟等科技巨頭皆看好量子電腦（Quantum computer）高速運算的優勢，紛紛投入研發，但想讓量子運算落地，還有一大難題須克服：量子位元具有量子力學一個有趣的特徵，它們在被觀察時的行為，與不被觀察時不同，導致難以保持量子的相干性。
不過 Google 這次發表一篇論文，探討藉由早在 2012 年便提出的「時間晶體」，將有望化解此一難題。（責任編輯：何泰霖）
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作者：新智元
你能想像得到，有這樣一個物體，竟然跳出了經典的熱力學第二定律？
沒錯，這就是「時間晶體」。
雖然時間晶體自 2012 年首次被假設以來，「一直」都只是理論上的。直到最近，Google 與史丹佛大學、普林斯頓大學以及其他大學的物理學家聯合發表了一份研究：「Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor」。
這篇 7 月 28 日發表的論文中，研究人員稱真正的「時間晶體」已經可以透過 Google 的量子電腦進行觀察了。這篇具有里程碑意義的論文，作者數量也高達 100 多人。
「時間晶體」會在一個有規律的、重複的循環中運動，在不燃燒任何能量的情況下持續不斷變化。同時，「時間晶體」是第一個自發打破「時間轉換對稱性」的物體，即一個穩定的物體在整個時間內保持不變的規則。
時間晶體早在 2012 年被提出，但是否存在始終備受爭議
諾貝爾物理學獎得主 Frank Wilczek 。圖片來源：Wikipedia
時間晶體的假設最早可以追溯到 2012 年。
諾貝爾物理學獎得主 Frank Wilczek 提出：「時間晶體經歷週期性運動，每隔一段時間就會回到最初的形態。」
同時，時間晶體不需要輸入，但能一直保持週期性運動，因為這個系統處於超穩定的平衡狀態。不過遺憾的是，在 2014 年，加州大學柏克萊分校和東京大學的研究人員發表的論文，證明了這個想法是無法被實現的。
之後，在 2015 年的一篇論文中，普林斯頓大學和馬克思·普朗克研究所的研究人員提出了一種新的物相結構（pi spin-glass phase），即第一個多體非平衡相。該研究基於一種週期性驅動的 Floquet 系統。比如用特定頻率的雷射光刺激晶體，其中雷射光的強度，以及它對系統的影響強度會發生週期性的變化。
他們在計算和模擬中發現，當用雷射光以一種特定的方式刺激一個局域化自旋鏈時，它們會來回翻轉，在兩個不同的多體局域化狀態之間循環往來，而不會從雷射光中吸收任何淨能量。
緊接著，在 2016 年，加利福尼亞大學聖巴巴拉分校和微軟的研究人員根據 pi spin-glass phase 提出了 Floquet「時間晶體」的存在。Floquet「時間晶體」在有外部能量源週期性驅動的情況下，可以表現出 Wilczek 所設想的行為。
Floquet「時間晶體」並不是處於一個熱平衡狀態的系統，而是一個多體的局部系統，它的自旋或其他部分無法進入平衡狀態。不過，儘管有雷射光或其他驅動，該系統也不會升溫，而它在局部狀態之間會無限地來回循環。
「時間晶體」到底是什麼？
為了便於理解，我們用冰塊來舉個例子。
當冰塊被放在水杯裡時，兩個獨立的實體（冰塊和液態水）就會以兩個不同的溫度相互接觸。當時間一久，水會開始變涼，冰塊則會變熱，最終，得到的就只是一杯室溫的水。
這個過程被稱為「熱平衡」。
所有其他已知的相，如剛才說的水或冰，都處於熱平衡狀態。組成它們的原子會進入環境溫度所允許的最低能量狀態，而且它們的特性不會隨時間而改變。
「時間晶體」則是第一個「非平衡」相，即使處於激發態和演化態，它仍然有秩序和完美的穩定性。
根據經典物理學，宇宙總是在向熵增的方向發展。熵增原理也可以簡要地表述為，孤立系統的熵永不減小。根據熵增原理，不可逆絕熱過程總是向著熵增加的方向進行的，而可逆絕熱過程則總是沿著等熵線進行的。
而理論上，「時間晶體」的熵可以始終保持不變。
時間晶體有什麼特性？
晶體結構在物理世界中的形成是因為，不管出於什麼基本的科學原因，其中的原子「想要」存在於某些確切的點。
「時間晶體」則是物質的一個新階段，就像有一片雪花在兩種不同的構型之間不斷來回循環，這一刻是七角晶格，下一刻是十角晶格。
神奇之處在於，當「時間晶體」在兩種不同構型之間來回循環時，它們不會損失或使用任何能量。
用蛋糕舉個例子，「時間晶體」可以具有一個蛋糕，也可以吃完這個蛋糕；同時，「時間晶體」可以從吃完蛋糕的狀態，循環到仍有蛋糕的狀態。
理論上，「時間晶體」可以永遠這樣做。
最重要的是，「時間晶體」可以在一個孤立的系統中做到這一點。這意味著他們可以吃下蛋糕，然後神奇地讓它永遠重複出現，而不需要使用任何燃料或能量。
時間晶體的應用有望破解「量子運算」難題
時間晶體可能是量子運算需要的奇蹟。
量子電腦被認為是可以用來解決真正困難的問題。
然而不幸的是，建造它們很難，維護它們很難，讓它們做任何事情都很難，甚至更難解釋它們給出的結果。
這是因為有一種叫做「退相干」（decoherence）的東西，它的作用很像熵。
量子電腦由「量子位元」組成，而量子位元具有量子力學的一個有趣的特徵：它們在被觀察時的行為與它們在不被觀察時不同。
這也就使得對量子位元狀態的任何直接測量（讀取電腦的輸出）變得困難。
但「時間晶體」是連續的。因此，把「時間晶體」放在量子電腦內，用它們來進行運算處理，有可能起到一個令人難以置信的重要作用：確保量子的相干性。
不過這只是達成量子運算的一個小進步。Google 所做的，是證明人類有製造「時間晶體」的可能。
那麼，為什麼這如此令人興奮呢？如果 Google 真的創造出了時間晶體，它可能會加速量子運算突破的時間表，從「也許永遠不會」到「也許幾十年內」。
Google 論文傳送門
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（本文經 新智元 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為 〈100多位作者聯手！谷歌用量子計算機造出「時間晶體」，挑戰熱力學第二定律〉。首圖來源：Shutterstock）
