時間晶體（time crystals），也叫時空晶體（space-time crystals），是一種在空間和時間上都有周期性結構的四維晶體，是一種全新的物質形態。時間晶體是一種新型的物質狀態，它不同於傳統的空間晶體，如金屬或巖石，這些物質的原子以規則的重復模式排列在空間中。時間晶體的獨特之處在於它們在時間維度上表現出周期性的變化，而不是在空間上。這種周期性變化是自發的，即它們可以在沒有外部能量輸入的情況下持續進行。
一、基本概念
時間晶體的概念最早由諾貝爾物理學獎得主法蘭克·威爾切克於2012年提出。普通的三維晶體是微觀粒子在空間上周期性排列的幾何對稱結構，而維爾切克思考能否把三維晶體的概念拓展到四維時空中，讓物質在時間的維度上也周期性排列。
具體來說，時間晶體在不同時刻具有不同的狀態，並且這種狀態的變化具有周期性。例如，一個時間晶體可能第一秒是白糖，第二秒是紅糖，第三秒又變回白糖。
與三維晶體具有空間平移對稱性破缺類似，時間晶體具有時間平移對稱性破缺。也就是說，時間晶體經過特定的時間才能回到初始狀態，比如在第 1、3、5 等奇數秒看到的是白糖，第 2、4、6 等偶數秒看到的是紅糖，紅糖與白糖之間的差異就是時間晶體的時間平移對稱性破缺。
然而，時間晶體打破了時間平移對稱性，卻並沒有違反能量守恒定律。因為時間晶體處於最小的能量基態，無需外部能量輸入，如同鐘表的秒針經過一段時間後會回到原來的位置並一直迴圈往復，但鐘表指標的旋轉需要機械能或者電能等外部能量輸入，而時間晶體不需要。
對於一些特殊系統，運動時的能量反而比靜止時要低，這種系統經過能量耗散，最終會達到不斷運動的基態，這被稱為時間上的自發對稱性破缺。例如假設有一頂墨西哥帽，一個小球靜止在帽頂，小球從帽頂往帽沿滑落時，它往任何方向落的機率都是相等的，此時系統具有旋轉對稱性。一旦小球落下，它只會往一個方向落，就破壞了系統原有的對稱性，這種對稱性的破壞就是由小球自身的不穩定性引起的自發對稱性破缺。
時間晶體處於基態時會持續運動，這使它可以被用來傳遞資訊。科學家曾設想，當宇宙不斷熵增最終達到熱寂狀態時，時間晶體因為處於能量更低的基態，可以依舊維持運動。
目前所實作的時間晶體都屬於離散時間晶體，連續時間晶體很難實作，並且目前尚有爭議。例如，2021 年谷歌宣布使用自研量子電腦創造出時間晶體，墨爾本大學的物理學家也基於 IBM 研發的量子電腦，編程出一個包含 57 個量子位元的時間晶體，這是當時最大的時間晶體。
時間晶體的研究不僅拓展了人類對物質形態的認識，也有助於深入理解時間的本質和非平衡物質狀態等。未來，時間晶體有可能套用於量子電腦中作為一種儲存方式。但截至 2024 年 7 月，其實際套用仍處於研究和探索階段。
時間晶體的實作通常需要一個周期性驅動，例如透過雷射或其他方式，來誘導系統進入一種穩定且重復的自旋翻轉模式。這種周期性運動不依賴於外部周期性幹預，而是材料固有的內容。北京理工大學物理學院的研究人員在實驗上首次實作了固有的時間晶體，這是在沒有外加周期性幹預的情況下，材料自發展現出時間晶體行為的例項。
二、物理特性
時間晶體因其獨特的物理特性，被認為可能對量子電腦的發展產生重要影響。
1. 時間周期性：時間晶體在時間上展現出周期性的行為，類似於空間晶體在空間上的周期性排列。這種周期性可以用於量子計算中的時序操作，為量子位元的操控提供了新的可能性。
2. 非平衡態穩定性：時間晶體是一種非平衡態物質，它們能夠在沒有外部能量輸入的情況下維持其周期性運動。這種穩定性對於量子電腦非常重要，因為量子位元（qubits）需要在操作過程中保持其量子態不受環境幹擾。
3. 量子位元儲存：時間晶體的周期性特性可以用來儲存量子資訊。如果能夠精確控制時間晶體的周期性運動，它們可以作為量子位元的穩定儲存介質，這對於量子電腦的長期儲存和資訊處理至關重要。
總之，時間晶體提供了一種全新的物理平台，用於探索和實作量子計算的各種套用。它們的獨特性質，如時間周期性、非平衡態穩定性和多體效應，為量子電腦的發展帶來了新的思路和潛在的技術路徑。然而，將這些理論概念轉化為實際的量子電腦技術，仍然需要克服許多科學和工程上的挑戰。
三、套用領域
時間晶體的潛在套用非常廣泛，特別是在量子資訊處理領域。它們可以作為穩定的量子位元記憶體，用於實作更復雜和高效的量子計算。此外，時間晶體還有助於我們深入理解時間的本質、自發對稱性破缺以及新奇量子態的形成。
在材料科學方面，時間晶體的研究推動了對新型材料的探索，這些材料能夠在時間上展示出周期性特征，為未來的技術發展提供了新的可能性。例如，英國南安普頓大學的研究人員發現，經典的超材料奈米結構可以被驅動到表現出與連續時間晶體相同的關鍵特征的狀態。此外，芬蘭艾爾托大學、德國卡爾斯魯厄理工學院和美國史丹佛大學的研究團隊開發出一種創造光子時間晶體的方法，這些材料可以放大照射在其上的光波。具體的套用領域如下：
1. 量子計算與資訊處理：時間晶體可以作為穩定的量子位元記憶體，有助於實作更復雜和高效的量子計算。它們在量子資訊處理領域的套用可以提高量子電腦的效能和穩定性。這對於構建大規模量子電腦至關重要，因為它們需要能夠糾正操作過程中的量子錯誤。
2. 量子模擬：時間晶體可用於模擬其他量子系統，這對於理解復雜量子物理現象和開發新的量子演算法具有重要意義。
3. 量子通訊：時間晶體的周期性動態可能有助於產生和維持量子纏結，這是量子通訊中的關鍵資源，有助於實作安全的資訊傳輸。量子纏結可以增強量子電腦的計算能力，使其解決某些型別的問題比傳統電腦更快。
4. 改進原子鐘和GPS系統：時間晶體的穩定性和相幹性可能有助於提高原子鐘的精度，進而改善依賴原子鐘的系統，如全球定位系統（GPS）。
5. 無線通訊技術：時間晶體的特性可以用於放大電磁波，這可能有助於提高無線發射器和接收器的效能，或者提高無線通訊的效率。
6. 雷射器設計：時間晶體可以簡化雷射器設計，透過消除雷射腔中通常使用的大塊反射鏡，提高雷射器的效能。
7. 積體電路：將時間晶體整合到電路系統中，可以放大表面波，提高積體電路的通訊效率。
8. 基礎物理研究：時間晶體提供了研究多體問題和量子纏結現象的新途徑，有助於深入探索物理學的基本問題。
9. 量子記憶裝置：時間晶體由於其不會遺失記憶的特性，有潛力構成完美的量子記憶裝置，這對於需要長期穩定儲存資訊的套用至關重要。
10. 新型材料開發：原時間晶體的實作為開發新型的時間晶體材料提供了新思路，這些材料可能在未來的技術開發中發揮重要作用。
時間晶體的獨特性質為科學研究和技術發展開辟了新的道路，盡管它們仍處於研究和開發的早期階段，但已經展現出廣闊的套用潛力。隨著對時間晶體更深入的理解和技術的進一步發展，這些套用領域有望得到實作和擴充套件。
總的來說，時間晶體的獨特材料特性在於它們在時間上的周期性行為，這種特性為物理學和材料科學領域帶來了新的研究方向和潛在的技術套用。
