科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

美國華盛頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)科學(xué)家攜手，成功在鉆石上“雕刻”出一種全新的物質(zhì)形態(tài)：時(shí)間準(zhǔn)晶體。這項(xiàng)突破有望為量子計(jì)算、精確計(jì)時(shí)等領(lǐng)域帶來革命性影響。相關(guān)研究論文發(fā)表于新一期《物理評(píng)論X》雜志。

鉆石或石英等晶體具有高度有序的結(jié)構(gòu)。此外，鉆石中的碳原子相互作用，形成重復(fù)且可預(yù)測(cè)的模式。正如普通晶體內(nèi)的原子在空間中重復(fù)排列一樣，時(shí)間晶體內(nèi)的粒子也會(huì)隨著時(shí)間推移，排列成重復(fù)且可預(yù)測(cè)的模式。換句話說，時(shí)間晶體內(nèi)的粒子以恒定的頻率振動(dòng)或“滴答”，使其在3維空間加時(shí)間這4個(gè)維度上形成有序的結(jié)構(gòu)模式。

時(shí)間準(zhǔn)晶體與時(shí)間晶體有什么區(qū)別呢？在材料科學(xué)領(lǐng)域，準(zhǔn)晶體內(nèi)的原子在每個(gè)維度并不遵循相同的模式。同理，時(shí)間準(zhǔn)晶體的粒子在不同維度以不同頻率振動(dòng)。

2016年，美國馬里蘭大學(xué)科學(xué)家研制出首個(gè)時(shí)間晶體。在最新研究中，他們更進(jìn)一步，創(chuàng)建出了首個(gè)真正的時(shí)間準(zhǔn)晶體，這是一種全新的物質(zhì)狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)首先在一小塊毫米大小的鉆石內(nèi)構(gòu)建了準(zhǔn)晶體，隨后用氮束轟擊鉆石。氮束的能量足以敲除碳原子，留下空穴。電子進(jìn)入這些空穴，每個(gè)電子都與其“鄰居”發(fā)生量子級(jí)相互作用。時(shí)間準(zhǔn)晶體由鉆石內(nèi)超過100萬個(gè)空穴組成，每個(gè)準(zhǔn)晶體的直徑約為一微米。

研究團(tuán)隊(duì)表示，在理論方面，時(shí)間晶體和時(shí)間準(zhǔn)晶體的存在證實(shí)了量子力學(xué)的一些基本理論。在實(shí)用方面，因?yàn)閷?duì)磁性等量子力極其敏感，時(shí)間晶體可用作永遠(yuǎn)不需要充電的量子傳感器。時(shí)間準(zhǔn)晶傳感器則可同時(shí)測(cè)量多個(gè)頻率，從而更全面地了解量子材料的壽命。此外，時(shí)間晶體理論上可在不損失能量的情況下永遠(yuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)下去，可用于長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)量子記憶，因此有望促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

總編輯圈點(diǎn)：

時(shí)間準(zhǔn)晶體的出現(xiàn)，首先對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要意義。它的獨(dú)特性質(zhì)是在不損失能量的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這就為構(gòu)建長(zhǎng)期穩(wěn)定的量子比特提供了可能。此外，時(shí)間準(zhǔn)晶體的穩(wěn)定振動(dòng)模式，也可用于創(chuàng)建高精度的量子門操作，這是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子算法的基礎(chǔ)。同時(shí)，時(shí)間準(zhǔn)晶體對(duì)磁場(chǎng)和其他量子力極為敏感，這意味著它們可以被用作極其精確的傳感器，在醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)，甚至安全通信協(xié)議等領(lǐng)域發(fā)揮特長(zhǎng)。可見，這項(xiàng)研究有望為多個(gè)科技領(lǐng)域注入新的活力。