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时间可以表现地像晶体那样吗?

  北京时间7月13日消息,据国外媒体报道,热力学第二定律可以导出宇宙“热寂”的命运,这是一种可能的理论。而即使我们的宇宙真的达到了热寂状态,它也并不意味着计算的终结。一种被称作“时间晶体”的特殊装置在理论上将可以继续被作为计算机使用,即便是在宇宙达到热寂状态之后也是如此。最近,科学家们给出了设计这种特殊装置的最新蓝图,从而让这一前景又向前迈进了一步。

  常规晶体是一个三维物体,它们的内部原子按照有规则的顺序重复排列而构成,比如我们每天吃的食盐。之所以晶体会采用这一规则的方式,是因为这样做可以让其内能达到最低。今年早些时候,美国麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)指出,在更高的维度上,比如作为第四维的时间,同样可以存在这种重复排列的结构模式。

  为了将常规的三维晶体空间对称性转换至四维空间,这样一个“时间晶体”中的原子必须不断旋转并不断归位。尤为关键的是,它们还都必须处于各自的最低能量状态。这就意味着即便在宇宙熵已经达到最大值,并最终冷却达到均一温度(即所谓的“热寂”状态),这种旋转还将自然地持续下去。

  超导环

  这种行为通常将会违反热力学原理,但是当这种情形描述的是位于一个超导体中的电子时,这种旋转的延续将是被允许的。电子在超导体中流动时将不受到任何阻力。维尔泽克最初指出,如果能够让电子一个个单独通过,而不是以电流的形式流过,那么一个超导环将可以作为一个时间晶体使用。因为在这种情况下电子的排列将会形成某种重复序列。不过他本人却无法给出在现实中实现这一可能性的方案来。

  现在,来自美国加州大学伯克利分校的李统藏博士以及他来自密歇根大学和清华大学的同事们提出了一种新的方案,或许将可以独辟蹊径地实现他的设想。

  首先你需要一个离子阱,这是一种利用电场来将某一带电粒子固定在某一位置上的装置。这样做将可以让这些离子形成一个环状的晶体,这是因为当离子在极低温度条件下被捕获时,它们会相互排斥。随后科学家施加一个微弱的静磁场,它将驱动电子自旋。

  量子力学指出,离子的自旋能量必须大于0,即便是在这个电子环已经被冷冻至最低能级的情况下也是如此。在这种状态下,已经不需要电场和磁场来帮助维持这一晶体的形状以及组成它的各个离子的自旋。这样做的结果就是获得一个时间晶体,或者更准确的说是一个时空晶体,因为这个离子环不但在时间上,在空间上也是不断重复着自身。

  令人欣喜的设计

  维尔泽克说:“我对这个消息感到很高兴,看起来他们这次真的提出了一个可行的实验方案。”要想建造这种晶体将是十分困难的,因为它要求几乎接近绝对零度的温度条件。一个同样来自伯克利的小组成员张翔(音译,Xiang Zhang)表示:“一项重要的挑战是如何将一个离子环冷却至其最低能级。”不过他也表示随着离子阱技术的不断改进,在不久的将来这一点将不会再成为问题。

  维尔泽克同时还从理论上推理认为,这种时间晶体可以被用作计算机,它可以用不同的自旋状态当做传统计算法中的0和1。他表示利用此次提出的系统方案,这一设想将是可能的。他说:“为了让事情更加有趣,你会需要不同的离子,或许是相互影响的几个环。你已经可以开始设想基于这种原理的机器了。”

  当然不要期望能在不久的将来就能看到这种时间晶体计算机问世。维尔泽克开玩笑说,宇宙的“热寂”从原则上来说,对于这种实验是非常“有好处”的,因为当时的宇宙又冷又黑。但除了这些,还有其它需要考虑的因素。 李统藏说:“我们着眼于能在实验室中被制造出来的时空晶体。”他说:“因此你必须找出一种方法让我们的实验室能在热寂的宇宙中幸免于难。”(晨风)

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