新发现！异域“时间晶体”或成量子计算机记忆的革命性突破

时间晶体可能有助于创建 量子计算 数据存储，持续时间可达数分钟，新的研究显示——这比现有量子数据存储的持续时间仅为毫秒的情况有了巨大的改善。

在这项新研究中，科学家们进行了实验，探讨时间晶体与机械波之间的相互作用。尽管时间晶体被广泛认为是极其脆弱的，但研究人员展示了它们能够将时间晶体与机械表面波耦合，而不会导致时间晶体的破坏。

“对我而言，这是最有趣的部分，”研究共同作者 Jere Mäkinen，芬兰阿尔托大学的学术研究员，告诉《生活科学》。 “这意味着你可以以一种重要的方式将时间晶体与另一个系统耦合，并利用时间晶体本身的强大特性。”

研究人员在10月16日的期刊 自然通讯 上发表了一项研究，描述了他们的发现。

时间晶体研究的新进展

传统晶体结构的原子或分子在空间中排列有规律，而时间晶体则是在经过一定时间后会回到某种状态。这与摆锤不同，摆锤的摆动频率只是反映了重力和张力变化之间的竞争所产生的振荡频率。在时间晶体中，虽然在实际操作中需要某种初始推动力，但其周期性是自发产生的，没有任何东西在该频率下驱动它。

自2012年首次提出以来，已经有多种被称为时间晶体的装置被报道。Mäkinen及其合作者基于一种叫做磁子的准粒子，这是一种量子属性‘自旋’的集体波。他们在‘超流氦-3’中创造了磁子，这种氦的原子核由两个质子和一个中子组成，因此原子核中粒子的自旋无法相互抵消。

他们将氦-3冷却到低温，使得原子的运动有效地相互吸引，尽管这种吸引力很弱，最终它们重新组织成称为库珀对的准粒子。作为库珀对，这些准粒子只能处于一个可用的量子态，从而消除了流体的粘度。

事实证明，用机械表面波来回晃动超流体氦-3会产生有趣的效果，这与表面对库珀对的自旋和轨道角动量的影响有关。为了更形象地理解这一点，可以想象墙壁对绳子末端旋转的球的轨道的影响：在自由空间中，球的轨道可以在三维中采取任何方向，但靠近墙壁时，这些轨道中的一些就不再可行。

Mäkinen和他的合作者意识到这会影响磁子时间晶体的周期。在他们的实验中，发现时间晶体在这种相互作用下可以存活几分钟。这表明，可能通过类似的相互作用将量子计算机的数据与时间晶体连接起来进行存储。

在量子计算机中，每个 量子比特 可以同时处于两个二进制状态的叠加状态，这正是理论上更高处理能力的基础。因此，量子计算机的内存必须存储能够保持量子比特状态不确定特性的数据信息。

今天的量子计算机中的存储技术通常使用自旋的取向来存储数据，但这些自旋状态很容易受到环境干扰的影响，例如热噪声。这些干扰会将它们推向一个或另一个可能的状态，这意味着存储的数据的量子特性丧失。因此，自旋量子存储的时间仅有几毫秒。

相比之下，Mäkinen及其合作者创造的磁子持续了几分钟，即使受到机械表面波的干扰。由于表面波在磁子时间晶体频率上留下了印记，因此可以用来“写入”要存储的量子数据。随着量子存储时间的延长，可以在数据恶化之前对其实施更多的量子处理操作，这使得可以处理更复杂的任务。

教科书中的类比

团队在查看实验数据后，还发现了与光机械学的几种相似之处，其中光和机械谐振器之间的相互作用。一个例子是光子撞击附着在弹簧上的镜子时几乎不可察觉的影响，当光子从镜子反弹时，弹簧会获得或失去能量。

将时间晶体与光机械学进行类比可能揭示出光机械学这一成熟领域的理论，这些理论可以应用于受机械波影响的时间晶体，从而为理解这些相互作用提供了一个良好的基础。

“光机械学在许多物理学领域中都是一个非常普遍的主题，因此你可以在各种不同的系统中使用它，”Mäkinen表示。

尼古拉·热卢德夫，南安普顿大学的物理与天文学教授，他也研究时间晶体和光机械学，但未参与该研究，他将这项研究描述为“有趣”。“这为非平衡系统物理学的研究开辟了新方向，可能对量子传感和量子控制的进展产生影响，”他在给《生活科学》的邮件中提到。

马基宁表示，他渴望探索不同类型的配置，以机械方式与时间晶体耦合，例如使用纳米加工的电机械谐振器，这种谐振器的质量比超流表面波要低得多。“显而易见的想法是，真正向量子极限迈进，看看我们能推得多远，”他说。