從時間晶體的實驗驗證說起

今天和徐湛老師從哥本哈根學派的著名的「Shut up and calculate」說起，聊了關於物理學研究中的關於「對物理概念和基本定定律的思考」和「對具體體系的應用物理概念和定律」兩者之間和關係和平衡的把握，說的簡單一點，就是如何把握「大膽假設，小心求證」這個問題。在聊的過程中提到了Wilczek的關於「時間晶體」的例子，我才注意到最近Nature上有一個關於這個方面的重大進展，所以就先介紹一下這篇文章的工作，然後最後來總結一下和我們所討論的這個問題有什麼聯繫。

Wilczek的關於Quantum Time Crystal的研究開始於自己的一個構想——既然對於時空（三維時空）有著平移對稱性，那麼自然時間對稱性應該也會對應著一種類似於我們平常所見的在空間上有著平移不變性的晶體一樣在時間方向有著某種平移不變形的晶體，也就是「時間晶體」。Wilczek的第一篇論文Quantum Time Crystals我之前曾經看到過，但是實在沒能看懂，只是他的提到的時間晶體的「時間對稱破缺」的概念和他所認為的時間對稱破缺的具體的物理意義給我留下了深刻的印象。

接下來就是很有意思的第一件事，在Wilczek（其實他是02年的諾貝爾物理獎得主）提出這個概念和構想之後，馬上很多物理學家就提出這個體系實際上是不可能實現的，因為從物理學的觀念上講，「一個系統，如果是處於基態，這就幾乎意味著這個系統不可能還會隨著時間變化，因為這表明其還有多餘的能量」。而且實際上，有物理學家證明了在原來他們構想中的在平衡態下實現時間晶體是不可能的（Absence of Quantum Time Crystals）——一時間，時間晶體不會實現貌似佔了上風，不過接下來人民修改了原來的思路，從非平衡態來尋找——值得注意的是，這個時候所謂在尋找的「時間晶體」已經不是原來起初Wilczek的定義了。

第二個有意思的是，正如原文中所言「When the breakthrough came, it arrived from an unlikely corner of physics, where researchers werent thinking about time crystals at all.」一個做原子鏈的實驗組發現在試驗中量子系統出現一些按照預想不符合的行為，這被Wilczek的一個學生注意到，他們預測這很可能是可以實現在非平衡態下得到時間上的系統周期性的體系。期間在提出這個思想後，他們又波折了很久，最近終於實現了這樣一個體系。

無獨有偶，哈佛的一個研究小組在金剛石晶體中也實現了類似的結構和功能。現在科學家們又發現，現在這些體系中所謂的「時間對稱破缺」和當初Wilczek所設想的又是不同的概念，這也算是這個裡面有一個很有意思的地方。

最後，時間晶體被認為是有望實現「量子拓撲計算」的重要元器件，這對於量子計算的實現可以說是一個重大的進展，原文是這樣描述的「The same principle of stability from interactions could apply more widely in quantum computing, says Yao. Quantum computers show huge promise, but have long struggled with the opposing challenges of protecting the fragile quantum bits that perform calculations, yet keeping them accessible for encoding and reading out information.」 作為一個研究傳統晶元散熱優化的人，我對於量子計算、可逆計算最後的實現抱著積極的態度而且我認為這是最後計算的必然發展的方向，因為傳統的計算機實際上單單由於熱的原因已經到計算能力的上限，而這對於人類社會的發展是一個很大的制約。

綜觀「時間晶體」的概念從提出到最後的在實驗上做出來，其從思想上的「第一鎚子」到中間的曲折再到最後的「柳暗花明」，這實際上是一個很生動的物理學的發展的一個縮影。試想，如果沒有當年Wilczek的設想，可能要再到很久才會有這樣一個概念和想法的提出；但是要是只有Wilczek的一個設想，而沒有後面大家的爭論、研究和最後的實驗的構建和驗證看，這也只是紙上談兵。更深入的來講，其實關於時間晶體到底是個怎麼樣的結構，提出者Wilczek的想法其實是不清晰的，甚至是有些錯誤的，比如他的「時間對稱破缺」和最終真正實現了的體系中不是同一個概念，這完全可以說他的這第一個鎚子是「砸錯了地方」，但是即使有諸多錯誤，我們要是最後從這裡起步實現了量子計算，到那一天，我們不得不回首說Wilczek的設想依然是偉大而有預見的。

這就是物理學的發展史，在某些微光閃爍後有人堅持不懈去燭照前行，不斷探索，無論是從最初提出「波色愛因斯坦凝聚」到第一次觀測到這一現象中間隔的70 「錢德拉塞卡極限」的提出到最終得到驗證榮膺諾獎的間隔的近60年，這些都告訴我們物理學原來和將來會如何的前進。

後記：正如徐湛老師對我所言，我們既不能沉浸於對於物理規律和概念的單純的學習和邏輯推演，也不能只在某一類的具體的體系中不關注物理的規律，我們所應該注重的，是如何將我們的物理概念和規律正向或者甚至修正後應用到一些具體的體系的探索中，反過來又可以從對於這些具體的體系的探究中深化甚至是改變我們對於一些物理規律、概念的理解。