时间晶体的存在预言成真!激光为基础转化为实实在在的设备组件

科技 4个月前 社科兔
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时间晶体的存在预言成真!激光为基础转化为实实在在的设备组件

  新浪科技讯 北京时间3月16日消息,据国外媒体报道,从很多方面来看,科学家就像侦探一样,在证据中搜索蛛丝马迹、解开一个又一个谜团。例如,无论是食用盐还是水晶,所有晶体都由一堆重复排列的原子构成。只要看一眼能体现出规律的几个原子,便可大致推测出其它原子是如何排列的。

  但如果这样的规律不是体现在空间上、而是在时间上呢?如果各个组成部分之间的相互关系不是“上下左右”、而是“先后”呢?这个反直觉的概念正是时间晶体的基础,即能够表现出具有晶体般可预测的重复行为的量子系统。2012年,麻省理工学院物理学家、诺奖得主弗兰克·韦尔切克在理论上首次预言了时间晶体的存在。在多年的辛苦研究之后,实验学家一直到2021年才终于造出了一枚时间晶体。不过,一支物理学家团队最近取得了另一项重大进步:用光线造出了时间晶体。研究报告于今年二月发表在了期刊《自然通讯》上。这项研究将使时间晶体从虚无缥缈的奇物、转化为实实在在的设备组件。

  虽然时间晶体的行为会在时间上不断重复,但绝不像一台钟表那么简单。钟表需要外界能量才能运行,但对时间晶体而言,像钟表一样“滴答滴答”恰恰是它最自然、最稳定的状态。这与物理学家所理解的热力学平衡刚好相反,即能量一旦进入某个系统,最后总会无可避免地走向消散,就像一壶烧开后放在室温下的热水。而时间晶体就像一壶永远处于沸腾状态、且永远不会冷却下来的水。从某些定义上来说,时间晶体代表着一种独特的新物态,最显著的特征就是违反热力学平衡定律、状态始终不变。这种物质就像自带节拍器一样,因此未来或可用在精准计时、或量子信息处理等用途上。

  时间晶体已经走出了纯理论概念阶段,人们已经开始探索其技术应用了。但要想让更多时间晶体走出实验室、投入实际应用中,研究人员还有一段漫长而艰辛的路要走。要想弄清某项实验是否产生了时间晶体,一般要么需要极其繁杂、令人望而却步的实验装置,要么得由强大的量子计算机开展审查。

  此次研究团队使用了较为简单的一种方法,将两束激光束打入一个直径一毫米、呈圆盘状的晶体空腔中。两束激光会在空腔中来回反弹、不断相撞。研究人员特意选择了空腔的形状,并对激光束的特性加以控制,使得激光反射出的光线产生了任何普通光线都从未形成过的规律:在空腔内部来回反射的激光形成了多个孤立波。这些波具有可以预测的周期性,并且节奏完全匹配,因此可以视作一个时间晶体。

  如果一个迷你版的你拿着光线探测器站在空腔出口处,你探测到的光线强度一开始会呈现出周期性变化,具体情况取决于激光束的自身特性。但到了某一时刻,你探测到的光线强度规律会突然改变。就像在电视上看电影时、电影突然开始快进一样,而且快进的速度似乎是由显示器中某种看不见的机制决定的,完全不由你控制。我们也能在这些光波中看出一些周期性特征,但这些周期其实是激光自带周期的两倍、三倍或其它整数倍。周期的增长说明出现了一个天生便可为自己计时的量子系统——换句话说,产生了一个以光线为基础的时间晶体。

  N这就像将一根线吊挂在盐水中来培养盐晶体一样。调整激光特性就像调整你放入盐水中这根线的结构一样。无论是激光还是线,作用都只在于帮助晶体形成,但晶体的周期性和重复规律则完全由自己决定。

  此前的研究利用了各式各样的“基础构件”来打造时间晶体。而此次实验证明,使用激光制造时间晶体更具有实际优势。最重要的是,该团队创造的时间晶体在相对普通的环境下也可以正常运作。大多数量子态物质必须在超低温等极端条件下才能体现出量子特性,一旦离开实验室,就会变得平平无奇。此次实验非常重要,因为它是在相对较高的温度下进行的,更加接近我们在日常生活中观察到的各种复杂过程。

  此次研发的时间晶体在现实世界中表现得十分“强韧”,这个系统也会随机地流失能量,也会渐渐产生噪音(就像看电影时电视过热、屏幕上出现雪花一样),但这其实还增强了系统的稳定性。一般来说,这两个问题都会试图破坏系统的晶体性,为避免这类外来扰动,时间晶体一般必须与环境严格隔绝,但新系统却在其中找到了平衡。

  由于能量流逝和噪音通过“密谋”、实现了互相牵制,此次研发的时间晶体很有可能在未来被投入实际应用。制造这种时间晶体也要用到一些基础构件,不过数量很少,使用的装置架构还是比较简单的,对许多研究团队来说应该不成问题。希望在未来的研究中,无论是对基础物理研究和、还是精准计时等实际应用,这种简单且耐用的设计都能起到关键作用。

  作为计时装置,以激光为基础的时间晶体的准确度也许比当前最流行的原子钟略有逊色。但它的稳定性和简洁性却很适合用在通讯或计算装置上,因为这些设备既需要精准计时,又不能太过脆弱,在实验室以外的普通环境中也要正常运作。此外,一些常用的电子元件生产技术或许还能将时间晶体整合到芯片中,使该系统更容易与现有的消费者产品适配。

  物理学家可以用几十年来研究传统空间晶体的方法研究大型时间晶体,判断时间晶体在存在特定缺陷、或暴露在过度能量中时,是否会出现令人意外的行为。这些行为在小型晶体中一般难以探测,而此次的激光系统可以达到较大规模,为这一研究领域打开了一扇全新的大门。这是一类全新的物态,还是一片处女地,一个等待我们发现的新世界。(叶子)

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