时间晶体（time crystals），也叫时空晶体（space-time crystals），是一种在空间和时间上都有周期性结构的四维晶体，是一种全新的物质形态。时间晶体是一种新型的物质状态，它不同于传统的空间晶体，如金属或岩石，这些物质的原子以规则的重复模式排列在空间中。时间晶体的独特之处在于它们在时间维度上表现出周期性的变化，而不是在空间上。这种周期性变化是自发的，即它们可以在没有外部能量输入的情况下持续进行。
一、基本概念
时间晶体的概念最早由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克于2012年提出。普通的三维晶体是微观粒子在空间上周期性排列的几何对称结构，而维尔切克思考能否把三维晶体的概念拓展到四维时空中，让物质在时间的维度上也周期性排列。
具体来说，时间晶体在不同时刻具有不同的状态，并且这种状态的变化具有周期性。例如，一个时间晶体可能第一秒是白糖，第二秒是红糖，第三秒又变回白糖。
与三维晶体具有空间平移对称性破缺类似，时间晶体具有时间平移对称性破缺。也就是说，时间晶体经过特定的时间才能回到初始状态，比如在第 1、3、5 等奇数秒看到的是白糖，第 2、4、6 等偶数秒看到的是红糖，红糖与白糖之间的差异就是时间晶体的时间平移对称性破缺。
然而，时间晶体打破了时间平移对称性，却并没有违反能量守恒定律。因为时间晶体处于最小的能量基态，无需外部能量输入，如同钟表的秒针经过一段时间后会回到原来的位置并一直循环往复，但钟表指针的旋转需要机械能或者电能等外部能量输入，而时间晶体不需要。
对于一些特殊系统，运动时的能量反而比静止时要低，这种系统经过能量耗散，最终会达到不断运动的基态，这被称为时间上的自发对称性破缺。例如假设有一顶墨西哥帽，一个小球静止在帽顶，小球从帽顶往帽沿滑落时，它往任何方向落的概率都是相等的，此时系统具有旋转对称性。一旦小球落下，它只会往一个方向落，就破坏了系统原有的对称性，这种对称性的破坏就是由小球自身的不稳定性引起的自发对称性破缺。
时间晶体处于基态时会持续运动，这使它可以被用来传递信息。科学家曾设想，当宇宙不断熵增最终达到热寂状态时，时间晶体因为处于能量更低的基态，可以依旧维持运动。
目前所实现的时间晶体都属于离散时间晶体，连续时间晶体很难实现，并且目前尚有争议。例如，2021 年谷歌宣布使用自研量子计算机创造出时间晶体，墨尔本大学的物理学家也基于 IBM 研发的量子计算机，编程出一个包含 57 个量子比特的时间晶体，这是当时最大的时间晶体。
时间晶体的研究不仅拓展了人类对物质形态的认识，也有助于深入理解时间的本质和非平衡物质状态等。未来，时间晶体有可能应用于量子计算机中作为一种存储方式。但截至 2024 年 7 月，其实际应用仍处于研究和探索阶段。
时间晶体的实现通常需要一个周期性驱动，例如通过激光或其他方式，来诱导系统进入一种稳定且重复的自旋翻转模式。这种周期性运动不依赖于外部周期性干预，而是材料固有的属性。北京理工大学物理学院的研究人员在实验上首次实现了固有的时间晶体，这是在没有外加周期性干预的情况下，材料自发展现出时间晶体行为的实例。
二、物理特性
时间晶体因其独特的物理特性，被认为可能对量子计算机的发展产生重要影响。
1. 时间周期性：时间晶体在时间上展现出周期性的行为，类似于空间晶体在空间上的周期性排列。这种周期性可以用于量子计算中的时序操作，为量子比特的操控提供了新的可能性。
2. 非平衡态稳定性：时间晶体是一种非平衡态物质，它们能够在没有外部能量输入的情况下维持其周期性运动。这种稳定性对于量子计算机非常重要，因为量子比特（qubits）需要在操作过程中保持其量子态不受环境干扰。
3. 量子比特存储：时间晶体的周期性特性可以用来存储量子信息。如果能够精确控制时间晶体的周期性运动，它们可以作为量子比特的稳定存储介质，这对于量子计算机的长期存储和信息处理至关重要。
总之，时间晶体提供了一种全新的物理平台，用于探索和实现量子计算的各种应用。它们的独特性质，如时间周期性、非平衡态稳定性和多体效应，为量子计算机的发展带来了新的思路和潜在的技术路径。然而，将这些理论概念转化为实际的量子计算机技术，仍然需要克服许多科学和工程上的挑战。
三、应用领域
时间晶体的潜在应用非常广泛，特别是在量子信息处理领域。它们可以作为稳定的量子比特存储器，用于实现更复杂和高效的量子计算。此外，时间晶体还有助于我们深入理解时间的本质、自发对称性破缺以及新奇量子态的形成。
在材料科学方面，时间晶体的研究推动了对新型材料的探索，这些材料能够在时间上展示出周期性特征，为未来的技术发展提供了新的可能性。例如，英国南安普顿大学的研究人员发现，经典的超材料纳米结构可以被驱动到表现出与连续时间晶体相同的关键特征的状态。此外，芬兰阿尔托大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院和美国斯坦福大学的研究团队开发出一种创造光子时间晶体的方法，这些材料可以放大照射在其上的光波。具体的应用领域如下：
1. 量子计算与信息处理：时间晶体可以作为稳定的量子比特存储器，有助于实现更复杂和高效的量子计算。它们在量子信息处理领域的应用可以提高量子计算机的性能和稳定性。这对于构建大规模量子计算机至关重要，因为它们需要能够纠正操作过程中的量子错误。
2. 量子模拟：时间晶体可用于模拟其他量子系统，这对于理解复杂量子物理现象和开发新的量子算法具有重要意义。
3. 量子通信：时间晶体的周期性动态可能有助于产生和维持量子纠缠，这是量子通信中的关键资源，有助于实现安全的信息传输。量子纠缠可以增强量子计算机的计算能力，使其解决某些类型的问题比传统计算机更快。
4. 改进原子钟和GPS系统：时间晶体的稳定性和相干性可能有助于提高原子钟的精度，进而改善依赖原子钟的系统，如全球定位系统（GPS）。
5. 无线通信技术：时间晶体的特性可以用于放大电磁波，这可能有助于提高无线发射器和接收器的性能，或者提高无线通信的效率。
6. 激光器设计：时间晶体可以简化激光器设计，通过消除激光腔中通常使用的大块反射镜，提高激光器的性能。
7. 集成电路：将时间晶体集成到电路系统中，可以放大表面波，提高集成电路的通信效率。
8. 基础物理研究：时间晶体提供了研究多体问题和量子纠缠现象的新途径，有助于深入探索物理学的基本问题。
9. 量子记忆装置：时间晶体由于其不会丢失记忆的特性，有潜力构成完美的量子记忆装置，这对于需要长期稳定存储信息的应用至关重要。
10. 新型材料开发：固有时间晶体的实现为开发新型的时间晶体材料提供了新思路，这些材料可能在未来的技术发展中发挥重要作用。
时间晶体的独特性质为科学研究和技术发展开辟了新的道路，尽管它们仍处于研究和开发的早期阶段，但已经展现出广阔的应用潜力。随着对时间晶体更深入的理解和技术的进一步发展，这些应用领域有望得到实现和扩展。
总的来说，时间晶体的独特材料特性在于它们在时间上的周期性行为，这种特性为物理学和材料科学领域带来了新的研究方向和潜在的技术应用。
