物理学家发现：时间晶体或可打造无需持续供能的量子时钟

探索宇宙奥秘 · 理性思考

如果有一种时钟，不需要持续供电就能精准走时，这听起来像永动机。但物理学允许这种"永动"存在。2026年2月，一项发表于《物理评论快报》的理论研究证实，时间晶体这种奇特物质态，有望成为未来量子时钟的核心元件。

传统晶体在空间中重复排列原子，时间晶体则在时间维度上保持周期性变化。2012年，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克首次提出这一概念。2016年，美国和中国的研究团队分别在离子阱和金刚石色心系统中首次实验观测到时间晶体。

这种系统最迷人的特质在于打破热力学平衡。普通物质趋向静止或混乱，时间晶体却能在最低能量态自发维持周期性运动。这并非违背能量守恒，而是量子多体系统在非平衡态下涌现的集体行为。就像一群鸟不需要外部指挥就能保持编队飞行。

当前最精准的光学原子钟依赖复杂的外部干预。科学家需要激光冷却将原子降温至接近绝对零度，再用特定频率激光激发电子跃迁。通过测量跃迁辐射的光子频率，我们获得时间基准。

这套系统精度极高，可达10的负18次方量级。但它像个精密的玻璃温室：需要持续输入大量能量维持激光和低温，体积庞大，难以搬出实验室。这种对外部驱动的依赖，限制了原子钟在卫星导航、深空探测等移动场景中的应用。

意大利国际理论物理中心的卢德米拉·维奥蒂团队构建了数学模型。他们模拟100个量子自旋粒子，比较两种工作模式。

在传统模式下，粒子振荡依赖持续激光驱动。当试图测量越来越短的时间间隔时，计时精度迅速恶化。在时间晶体模式下，粒子通过内部相互作用自发形成稳定振荡。研究发现，在相同的高分辨率探测条件下，时间晶体模式保持了更稳健的精度。

关键在于，这种振荡不需要外部能量灌注来维持。系统一旦启动，就能依靠量子关联自我维持节奏。这类似于给陀螺一个初始推力后，它能依靠惯性长期稳定旋转。

中国科学家在时间晶体和量子精密测量领域均处于世界前沿。2022年，浙江大学王震、郑毅团队与清华大学团队合作，在离子阱中首次实现量子多体时间晶体。2023年，中国科学技术大学郭国平教授团队在超导量子芯片上观测到离散时间晶体。

在实用化量子时钟方面，中国计量科学研究院、中科院精密测量院等机构研发的光晶格钟，稳定度已进入10的负18次方量级。2024年，中国科学技术大学团队实现万秒运行稳定度优于6×10的负19次方的锶原子光晶格钟，指标比肩国际最高水平。

值得注意的是，中国科学家也在探索简化量子时钟的技术路径。2023年，华东师范大学精密光谱实验室提出基于弗洛凯工程的新型方案，试图降低对外部激光的依赖。这些积累为时间晶体时钟的实用化提供了技术储备。

维奥蒂团队强调，目前研究仍是理论证明。将时间晶体转化为实用时钟，需要解决退相干、环境噪声隔离、读出精度等一系列工程难题。但这为下一代量子技术指明了方向。

如果未来实现，我们或许能拥有巴掌大小、无需持续供电却精度极高的时钟。这将彻底改变卫星导航、引力波探测、暗物质搜寻等领域的格局。从空间平移对称到时间平移对称，人类对时间的掌控正进入新维度。

Anonymous, Quantum time crystal clock and its performance, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/dj21-gmdj. On arXiv: arxiv.org/abs/2505.08276.