傳統(tǒng)上，對(duì)物質(zhì)基本相的定義和分類依賴于空間對(duì)稱性的破缺，從而產(chǎn)生了眾所周知的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。而時(shí)間晶體的理論預(yù)測(cè)及隨后的觀察，標(biāo)志著一個(gè)深刻的轉(zhuǎn)變——它是在非平衡態(tài)系統(tǒng)中打破了時(shí)間平移對(duì)稱性。最近發(fā)表在《自然·物理學(xué)》的“時(shí)間回旋曲晶體的實(shí)驗(yàn)觀察”這篇論文，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一種更精妙的時(shí)間秩序形式的認(rèn)知。這種新物相得名于古典音樂形式中的“回旋曲”——一個(gè)重復(fù)的主題穿插著對(duì)比性的變奏。時(shí)間回旋曲晶體展示了長程時(shí)間秩序與短程時(shí)間無序的迷人共存，為在量子信息科學(xué)中利用復(fù)雜性開辟了一條充滿希望的道路。

背景：時(shí)間晶體相的演變

傳統(tǒng)的晶體固體以其在空間中的周期性排列來定義。類似地，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的離散時(shí)間晶體是一個(gè)受外部場周期性驅(qū)動(dòng)的非平衡系統(tǒng)，但其可觀測(cè)的響應(yīng)周期是驅(qū)動(dòng)周期的一個(gè)倍數(shù)（通常是兩倍）。這種現(xiàn)象被稱為周期加倍，是離散時(shí)間平移對(duì)稱性破缺的明確標(biāo)志。然而，非平衡態(tài)物理學(xué)的理論圖景表明，物質(zhì)相的可能性超越了完美的周期性時(shí)間秩序。

時(shí)間回旋曲晶體（Time Rondeau Crystal）正是在這一空間中出現(xiàn)的，代表了一種被稱為部分時(shí)間秩序的概念。它保留了時(shí)間晶體所特有的長壽命、穩(wěn)定的時(shí)間秩序，但同時(shí)在較短的時(shí)間尺度上有意地融入了結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)性。這類似于一首回旋曲（rondeau），其中主旋律可預(yù)測(cè)地回歸，但穿插的樂段（即微觀運(yùn)動(dòng)）則被刻意地變化，在總體確定的結(jié)構(gòu)中提供了一種可調(diào)諧的混沌程度。

決定性的雙重性：時(shí)間中的秩序與無序

時(shí)間回旋曲晶體的決定性特征是兩種截然不同的時(shí)間行為的共存：

1. 長程時(shí)間秩序（頻閃秩序）：當(dāng)系統(tǒng)僅在特定的、周期性的間隔（頻閃時(shí)間）進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，其物理可觀測(cè)值會(huì)回到一個(gè)可預(yù)測(cè)的、有序的狀態(tài)。這種秩序是穩(wěn)健且持久的，能夠克服不可避免的熱化影響并持續(xù)數(shù)秒。
2. 短程時(shí)間無序（微觀運(yùn)動(dòng)無序）：在這些周期性觀測(cè)點(diǎn)之間——即單個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)的“微觀運(yùn)動(dòng)”——系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)出一種可調(diào)諧、結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)性。這種無序并非由退相干或加熱引起，而是該物相本身的一個(gè)工程化組成部分。

這種雙重性在實(shí)驗(yàn)上至關(guān)重要。雖然標(biāo)準(zhǔn)離散時(shí)間晶體的響應(yīng)完全由驅(qū)動(dòng)決定，但時(shí)間回旋曲晶體的部分秩序允許對(duì)微觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確操縱，而不會(huì)破壞其根本的長程時(shí)間穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

研究人員利用基于嵌入在金剛石晶格中的碳-13原子核自旋的量子模擬器。這個(gè)平臺(tái)具有高度可控性，可以通過微波脈沖進(jìn)行精確操控。實(shí)驗(yàn)架構(gòu)是關(guān)鍵，它不僅能夠施加周期性驅(qū)動(dòng)，還能施加穩(wěn)定回旋曲秩序所需的非周期性及結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)驅(qū)動(dòng)。

對(duì)時(shí)間回旋曲晶體相的確認(rèn)依賴于一種高通量讀出方案，用于持續(xù)監(jiān)測(cè)自旋極化。區(qū)分時(shí)間回旋曲晶體與標(biāo)準(zhǔn)離散時(shí)間晶體最令人信服的證據(jù)在于其頻率譜。與僅在周期加倍頻率處顯示單個(gè)尖銳\delta峰的標(biāo)準(zhǔn)離散時(shí)間晶體不同，時(shí)間回旋曲晶體的微觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)在整個(gè)頻率譜上顯示出連續(xù)、平滑的分布。這種連續(xù)的光譜支持是“確鑿證據(jù)”，它從數(shù)學(xué)上證實(shí)了短程無序與長程周期性的共存。超過四秒的穩(wěn)健壽命進(jìn)一步證實(shí)了對(duì)一個(gè)真正的、穩(wěn)定熱力學(xué)相的觀測(cè)。

技術(shù)啟示：編碼于時(shí)間中的信息

除了其基礎(chǔ)物理意義外，這項(xiàng)工作立即展示了一個(gè)重要的潛在應(yīng)用：信息編碼。短程時(shí)間無序的可控性質(zhì)提供了一個(gè)隱藏的自由度。

研究團(tuán)隊(duì)成功利用這種無序性，將大量數(shù)據(jù)（例如他們的論文標(biāo)題）使用 ASCII 標(biāo)準(zhǔn)直接編碼到自旋系統(tǒng)的微觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)中。至關(guān)重要的是，這些信息存儲(chǔ)在時(shí)間之中，具體來說是存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻的自旋方向中，而非傳統(tǒng)的物理空間位置。這種能力暗示了一種量子記憶和處理的新范式。通過長程秩序來穩(wěn)定系統(tǒng)，編碼在短程無序中的信息得到了保護(hù)，使其免于衰減，從而為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健、穩(wěn)定和高密度的量子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作提供了途徑。

結(jié)論

時(shí)間回旋曲晶體的實(shí)驗(yàn)觀察標(biāo)志著非平衡態(tài)量子物理學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)非凡成就。通過證明時(shí)間秩序和無序不僅可以共存，而且可以被設(shè)計(jì)成一個(gè)穩(wěn)定的物相，這項(xiàng)工作擴(kuò)展了已知的量子物質(zhì)圖景。其基礎(chǔ)物理學(xué)的精妙之處——與音樂形式的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)——與在信息科學(xué)中立即可見的實(shí)際應(yīng)用相匹配。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)著物理學(xué)家們進(jìn)一步探索部分對(duì)稱性破缺和結(jié)構(gòu)化驅(qū)動(dòng)的巨大可能性，為利用經(jīng)過設(shè)計(jì)的、復(fù)雜而受保護(hù)的時(shí)間動(dòng)力學(xué)的新一代量子技術(shù)鋪平了道路。未來的研究無疑將集中于擴(kuò)展這一機(jī)制的規(guī)模，并將其整合到更大的量子架構(gòu)中。