啥物质能让意识永存？答案可能藏在时间晶体里

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爱因斯坦告诉我们，世界是四维的，除了三维的空间之外，还有一个维度就是时间。既然我们生活周围有这么多在三维空间上结晶的物体，是不是也存在着在时间上结晶的物质呢？这应该是一个很自然的设问。不过直到诺贝尔物理奖获得者维尔切克（Wilczek）之前，还没有人提出这个设问并给出答案。

时间晶体源自诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）2012年提出的大胆设问：是否存在一种物质，当其处于基态附近时，在时间维度上会自发出现周期性变化，就像空间晶体在空间维度上自发出现周期性重复一样。

要理解时间晶体这种全新的物质，让我们从常见的晶体说起。在我们的生活中，有很多天然具有规则形状的晶体物质，比如说六角形的雪花，晶莹剔透的水晶，璀璨夺目的钻石等。我们知道，随着温度的不同，水具有气态、液态、固态三种不同的形态。之所以有这么大的区别，是因为随着温度的降低，水分子的运动越来越慢，在冰点之下就自发地凝结起来了，形成了周期性的有序结构。这一过程也被称为空间平移对称性自发破缺。

维尔切克接受记者采访时说，他最初是在上晶体这个课程时想到了时间晶体这个概念的。如果与空间晶体类比，那么时间晶体就可以定义为在时间轴上自发地周期性变化的一类物质。量子时间晶体的概念出现后，很快引发了巨大的争议。有人发表论文认为，在热力学极限下，基态附近的量子时间晶体是无法出现的。

对时间晶体的争议虽然很大，但其核心概念“时间平移对称性的自发破缺”非常吸引人，能否找到一个物理系统演示出这个效应？为了避开那些“行不通定律”，人们开始考虑非平衡态的动力学行为？2016年，人们提出了周期性驱动时间晶体，或者离散时间晶体的概念。

离散时间晶体是很奇怪的一个系统，对它进行周期性驱动，由于所谓多体局域化效应（Many-body localization）或者预热化(prethermalization)效应，将会长期的处于一个非平衡态。此状态也是周期性的，但是其周期比驱动场的周期T要长，是nT，这里的n是大于1的整数。由于系统的时间平移不变性单位是nT，比驱动场的周期T要长，所以系统出现了时间平移不变性的破缺。做一个形象的类比，我们敲一个离散晶体鼓N下，结果它只发出N/n次声音。由于离散时间晶体不要求系统处于量子基态附近，相对而言实验验证较为容易，因此很快就在离子阱系统和金刚石色心系统中得到了验证。

离散时间晶体做出来后，给了人们很大的信心。一部分科学家在进一步探索不同的物理模型中，周期性驱动下能否出现离散时间晶体现象，甚至连时间准晶体都有人进行了探索。准晶体是一种很有趣的物态：它在空间中是有序的，但是却没有固定的周期。准晶体的发现是对传统晶体理论的重要推广和补充。类似的，在周期驱动时，如果系统自发的出现两种比驱动频率更低的运动，且这两种运动频率之比为无理数，从而使得此系统自发破缺后所展现的运动不具有周期性，我们就称之为时间准晶体。

2025年3月12日，美国华盛顿大学祖充教授课题组与麻省理工学院和哈佛大学等团队合作，在《物理评论X》上发表论文《离散时间准晶的物理实现》，报道了在金刚石氮-空位缺陷系统中，通过施加两种频率的驱动，实现了离散时间准晶体的实验。他们所施加驱动的频率之比为 （黄金比例），在金刚石色心中激发的两种频率正好是驱动频率的一半，其频率之比也是无理数。他们发现这种效应对于驱动微波功率的涨落是很稳定的，这恰恰就是时间晶体多体效应所特有的。

实验中所利用的是缓慢的临界热化效应，其离散时间准晶寿命并不是无穷大的。未来可以基于更稳定的多体局域化效应来实现寿命趋于无穷大的离散时间准晶体。这个系统未来有望用于精密的信号处理，特别是有望同时承载多个频率基准，使得基于离散时间晶体的量子精密测量应用场景更为宽广。

在精密测量之外，时间晶体也有望用于量子计算。2012年，维尔切克教授曾设想未来有一天，随着技术的高度发展，我们可以对时间晶体进行编程，设计出复杂的周期运动回路，代表不同的比特，以及比特间的运算。维尔切克教授甚至还做出了富有科幻色彩的构想：“把我们的人脑意识上传到这个时空晶体中。这种携带了人脑意识的时间晶体可以称之为时光胶囊，我们可以把自己一生中最美好最难忘的回忆和感受存在其中。拥有了这样的时光胶囊，即使地老天荒，即使宇宙热寂，我们那些美妙的情感仍旧永存。”

这种构想似乎要遥远的未来才能实现。但最近随着量子计算的发展，真有可能成为现实。2022年，美国谷歌公司在超导量子电路中完成了离散时间晶体的实验，在多体局域化相区域内模拟了离散时间晶体效应。在此基础上，最近笔者发现时间晶体可以辅助人们实现更高效的量子机器学习算法，加速量子人工智能落地。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：尹璋琦 北京理工大学教授

审核：祖充 华盛顿大学圣路易斯 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司