探索宇宙奧秘 · 理性思考

如果有一種時鐘，不需要持續(xù)供電就能精準走時，這聽起來像永動機。但物理學(xué)允許這種"永動"存在。2026年2月，一項發(fā)表于《物理評論快報》的理論研究證實，時間晶體這種奇特物質(zhì)態(tài)，有望成為未來量子時鐘的核心元件。

傳統(tǒng)晶體在空間中重復(fù)排列原子，時間晶體則在時間維度上保持周期性變化。2012年，諾貝爾物理學(xué)獎得主弗蘭克·維爾切克首次提出這一概念。2016年，美國和中國的研究團隊分別在離子阱和金剛石色心系統(tǒng)中首次實驗觀測到時間晶體。

這種系統(tǒng)最迷人的特質(zhì)在于打破熱力學(xué)平衡。普通物質(zhì)趨向靜止或混亂，時間晶體卻能在最低能量態(tài)自發(fā)維持周期性運動。這并非違背能量守恒，而是量子多體系統(tǒng)在非平衡態(tài)下涌現(xiàn)的集體行為。就像一群鳥不需要外部指揮就能保持編隊飛行。

當前最精準的光學(xué)原子鐘依賴復(fù)雜的外部干預(yù)?？茖W(xué)家需要激光冷卻將原子降溫至接近絕對零度，再用特定頻率激光激發(fā)電子躍遷。通過測量躍遷輻射的光子頻率，我們獲得時間基準。

這套系統(tǒng)精度極高，可達10的負18次方量級。但它像個精密的玻璃溫室：需要持續(xù)輸入大量能量維持激光和低溫，體積龐大，難以搬出實驗室。這種對外部驅(qū)動的依賴，限制了原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航、深空探測等移動場景中的應(yīng)用。

意大利國際理論物理中心的盧德米拉·維奧蒂團隊構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。他們模擬100個量子自旋粒子，比較兩種工作模式。

在傳統(tǒng)模式下，粒子振蕩依賴持續(xù)激光驅(qū)動。當試圖測量越來越短的時間間隔時，計時精度迅速惡化。在時間晶體模式下，粒子通過內(nèi)部相互作用自發(fā)形成穩(wěn)定振蕩。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的高分辨率探測條件下，時間晶體模式保持了更穩(wěn)健的精度。

關(guān)鍵在于，這種振蕩不需要外部能量灌注來維持。系統(tǒng)一旦啟動，就能依靠量子關(guān)聯(lián)自我維持節(jié)奏。這類似于給陀螺一個初始推力后，它能依靠慣性長期穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

中國科學(xué)家在時間晶體和量子精密測量領(lǐng)域均處于世界前沿。2022年，浙江大學(xué)王震、鄭毅團隊與清華大學(xué)團隊合作，在離子阱中首次實現(xiàn)量子多體時間晶體。2023年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭國平教授團隊在超導(dǎo)量子芯片上觀測到離散時間晶體。

在實用化量子時鐘方面，中國計量科學(xué)研究院、中科院精密測量院等機構(gòu)研發(fā)的光晶格鐘，穩(wěn)定度已進入10的負18次方量級。2024年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊實現(xiàn)萬秒運行穩(wěn)定度優(yōu)于6×10的負19次方的鍶原子光晶格鐘，指標比肩國際最高水平。

值得注意的是，中國科學(xué)家也在探索簡化量子時鐘的技術(shù)路徑。2023年，華東師范大學(xué)精密光譜實驗室提出基于弗洛凱工程的新型方案，試圖降低對外部激光的依賴。這些積累為時間晶體時鐘的實用化提供了技術(shù)儲備。

維奧蒂團隊強調(diào)，目前研究仍是理論證明。將時間晶體轉(zhuǎn)化為實用時鐘，需要解決退相干、環(huán)境噪聲隔離、讀出精度等一系列工程難題。但這為下一代量子技術(shù)指明了方向。

如果未來實現(xiàn)，我們或許能擁有巴掌大小、無需持續(xù)供電卻精度極高的時鐘。這將徹底改變衛(wèi)星導(dǎo)航、引力波探測、暗物質(zhì)搜尋等領(lǐng)域的格局。從空間平移對稱到時間平移對稱，人類對時間的掌控正進入新維度。

Anonymous, Quantum time crystal clock and its performance, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/dj21-gmdj. On arXiv: arxiv.org/abs/2505.08276.