華盛頓大學的物理學家透過創造一種被稱為”時間晶體”和更先進的”時間準晶體”的新物質階段，在量子力學領域取得了突破性進展。這些突破性的材料透過保持永恆運動而打破了傳統物理學，並透過提供一種穩定、節能的測量時間和儲存量子資訊的方法，為量子運算和精確計時帶來了革命性的變革。

聖路易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis，WashU）的物理學家們創造了一種新型時間晶體，這種獨特的物質相挑戰了人們對運動和時間的傳統理解。

研究小組成員包括查爾斯-M-霍恩伯格物理學教授凱特-默奇（Kater Murch）、物理學助理教授祖沖之，以及研究生何光輝、龔若天、姚昌宇和劉中原。 其他合作者還包括麻省理工學院的葉炳添和哈佛大學的姚諾曼。 他們的研究成果於3月12日發表在物理評論X上，該雜誌是該領域的權威期刊。

在與The Ampersand的討論中，Zu、He和Ye分享了他們對突破的見解，以及這對量子科學未來的意義。

華盛頓大學物理學家用微波雷射照射一大塊鑽石，製造出時間準晶體，這是一種能在時間和空間中重複精確模式的新物質。 資料來源：聖路易華盛頓大學祖沖之實驗室

要了解時間晶體，不妨先想想我們熟悉的晶體，如鑽石或石英。 這些礦物的形狀和光澤得益於它們高度有序的結構。 鑽石中的碳原子相互作用，形成重複的、可預測的圖案。

祖解釋說，就像普通晶體中的原子在空間中重複圖案一樣，時間晶體中的粒子也會隨著時間的推移重複圖案。 換句話說，它們以恆定的頻率振動或”滴答”，使它們在四個維度中晶瑩剔透：三個物理維度加上時間維度。

時間晶體就像一個無需上發條或電池的時鐘。 Zu說：” 從理論上講，它應該可以永遠運轉下去。 實際上，時間晶體很脆弱，對環境很敏感。我們能夠在晶體破裂前觀察到數百個週期，這令人印象深刻。”

時間晶體已經存在了一段時間；第一個時間晶體是2016 年在馬裡蘭大學創造的。 華盛頓大學領導的團隊更進一步，製造出了更不可思議的東西：時間準晶體。這是物質的一個全新階段。

在材料科學領域，準晶體是最近發現的一種物質，儘管其原子在每個維度上都不遵循相同的模式，但卻具有高度的組織性。 論文的第一作者賀建奎解釋說，同樣，時間準晶體的不同維度以不同的頻率振動。 節奏非常精確，組織性很強，但它更像和弦，而不是單一音符。他說：”我們相信，我們是第一個製造出真正的時間準晶體的小組。”

時間準晶體的製造與應用

研究團隊在一小塊毫米大小的鑽石中製造出了準晶體。 然後，他們用足以擊毀碳原子的氮氣束轟擊鑽石，留下原子大小的空白空間。 電子移入這些空間，每個電子與其相鄰的電子發生量子級的相互作用。 Zu 及其同事使用類似的方法製造了量子鑽石顯微鏡。

時間準晶體是由鑽石中超過一百萬個這樣的空位組成的。 每個準晶體的直徑大約是一微米（千分之一毫米），太小了，沒有顯微鏡根本無法看到。 “我們使用微波脈衝來啟動時間準晶體的節律，”Ye 說。 “微波有助於建立時間秩序。”

時間晶體和準晶體的存在本身就證實了量子力學的一些基本理論，因此它們在這方面是有用的。 但它們也可能有實際應用。 由於時間晶體對磁力等量子力很敏感，因此可以用作無需充電的長效量子感測器。

時間晶體也為精確計時提供了一條新途徑。 手錶和電子產品中的石英晶體振盪器容易漂移，需要校準。 相比之下，時間晶體能以最小的能量損失保持穩定的滴答聲。 時間準晶體感測器有可能同時測量多個頻率，從而更全面地了解量子材料的壽命。 首先，研究人員需要更了解如何讀取和追蹤訊號。 他們還不能用時間晶體精確地報時；他們只能讓時間晶體滴答作響。

由於時間晶體理論上可以永遠滴答作響而不會損失能量，因此人們對利用其能量製造量子電腦產生了濃厚的興趣。它們可以長時間儲存量子記憶，本質上就像RAM的量子類似物。我們離這種技術還有很長的路要走，但創造時間準晶體是關鍵的第一步。

編譯自/ ScitechDaily