像钻石这样的结晶固体有一个特点，它们的结构在空间上是周期性的。在过去的十年间，物理学家们一直在想，在时间里是否也存在类似的重复结构。与空间晶体类似，这种结构被称为时间晶体。现在，谷歌量子AI和美国斯坦福大学的研究人员在谷歌的Sycamore量子处理器上构建了一个时间晶体，证明这些奇异的物体构成了它们自己独特的物质相。

物质的相

物质的相有很多种，从无处不在的液体和气体，到超导之类的量子相，比如超导体和玻色-爱因斯坦凝聚物，它们只能在极端条件下出现。不管它们的属性如何，所有的相都具有一个关键的特性：每个相都有某种顺序的概念，这是一种量化集合中粒子模式的方法。

例如，晶体固体表现出空间顺序。当晶体形成时，来自连续空间的一组离散的点成为均匀分布的原子的轨迹。这样做，系统就打破了众所周知的物理对称性：就物理学的基本定律而言，空间中的任何点都不应优先于其他点。这种宇宙的“冷漠”反映在一系列的对称或转换中，在这些对称或转换下，这些定律必须保持不变。

其中一种对称被称为连续平移对称，它意味着在任何空间方向上移动任何数量的封闭物理系统都是无关紧要的。在形成过程中，晶体自发地打破这种连续的对称性。换句话说，即使系统没有明确地倾向于任何特定的点，它们也会打破它。保留的重复模式仅显示离散平移对称性：如果每个原子在晶体上移动一个间隔，则相同的空间位置集（除了边缘）将保留其区别。

时间晶体

物理定律每时每刻都是不变的，这种不变性被称为连续时间平移对称。就像晶体破坏了空间的连续平移对称一样，一些系统，比如来回摆动的钟摆和围绕恒星旋转的行星，把无限的时间范围切割成有规律的、离散的间隔。

然而，与空间不同的是，时间的流逝被热力学第二定律不可磨灭地染上了色彩。热力学第二定律指出，一个封闭系统中的熵不能随着时间的推移而减少。简单的系统，如单摆或行星轨道，可以表现出稳定的、长时间的振荡，因为它们的组成部分之间相互作用和交换能量的方式很少。相比之下，在具有多个自由度的系统中(如一组耦合摆)，随着能量涌入每条允许的途径，系统会探索许多可能的状态，振荡会迅速失去同步。

2012年，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克提出，物质的扩展可以在时间上表现出规律性和秩序性，同时也可以自发地打破时间平移对称性。与空间有序的晶体进行类比，维尔切克将这种提议的称为量子时间晶体。那时，人们还不清楚这种是否真的存在于物理世界中，或者熵是否会消除时间晶体秩序的所有希望。

需要非平衡相

2014年，理论物理学家渡边春树和大川正树对时间晶体的前景进行了一次沉重的打击。他们的“禁止”定理表明，任何处于热平衡状态的系统都不可能是时间晶体。相反，任何晶相都需要进入一个奇怪的新领域：非平衡物理。

大约在同一时间，美国普林斯顿大学和德国马克斯普朗克研究所的物理学家们正在认真研究如何定义这些阶段。多年来，其他物理学家也在进行类似的研究项目，但几乎没有什么成果。但赫马尼等科学家成功了，他们在理论上证明了一个稳定的非平衡相，这包含两个基本的物理成分：周期Floquet驱动以及多体局域化。

当一个系统不平衡时，它的动力学必须非地依赖于时间，系统的状态不断地演变。Floquet驱动通过使系统与激光脉冲相互作用来唤起这种动态。系统和激光之间的耦合强度周期性变化，这种周期性改变了系统的时间对称性。虽然基本力与时间无关，但耦合激光器产生的动力压力是循环的。从系统的角度来看，时间的平移对称性现在是离散的而不是连续的，而且它的控制物理学看起来只有在被确切倍数的Floquet驱动周期分开的时候是一样的。

然而，仅减少对称性并不能构成时间晶体。晶体中的连续平移对称破坏是自发的，通过Floquet驱动的对称破坏是由耦合到激光引起的。因此，任何由floquet驱动系统构建的时间晶体必须自发地打破其从驱动机制继承的离散平移对称性。

在Floquet驱动的系统中，这通常是通过称为周期加倍的现象来完成的，在这种现象中，系统陷入一个常规周期，其周期是管理它的进程周期的两倍。周期倍增也不能保证时间晶体，当它与floquet驱动的多体系统结合时，它所做的就是使时间晶体的秩序成为可能，但也有一个严重的缺陷。

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1211/1345.html

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