科學(xué)家在一項(xiàng)突破性實(shí)驗(yàn)中將“時(shí)間晶體”與外部世界連接起來(lái)

想象一個(gè)結(jié)構(gòu)，它在時(shí)間維度上周期性振蕩，不需要任何外部能量驅(qū)動(dòng)，永遠(yuǎn)不會(huì)停下來(lái)，卻又不違反任何熱力學(xué)定律。

這不是科幻設(shè)定，而是量子物理中一個(gè)真實(shí)存在了近十年的奇異態(tài)：時(shí)間晶體。而2026年3月，來(lái)自芬蘭阿爾托大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們做到了一件此前被認(rèn)為幾乎不可能的事：首次將時(shí)間晶體與外部機(jī)械系統(tǒng)成功耦合，打通了量子孤島與外部世界之間的那道墻。

研究成果發(fā)表于《自然通訊》。

一種在時(shí)間中"結(jié)晶"的物質(zhì)

普通晶體，比如食鹽或鉆石，之所以有規(guī)律的形狀，是因?yàn)樵釉诳臻g中按照固定的周期性結(jié)構(gòu)排列。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克在2012年提出了一個(gè)大膽設(shè)想：如果這種有序性不出現(xiàn)在空間里，而是出現(xiàn)在時(shí)間維度上，會(huì)怎樣？也就是說(shuō)，一個(gè)量子系統(tǒng)在時(shí)間軸上做出永不衰減的周期性重復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)處于能量最低狀態(tài)，既不注入能量，也不消耗能量。

他把這個(gè)假想結(jié)構(gòu)稱(chēng)為"時(shí)間晶體"。這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)頗具爭(zhēng)議，因?yàn)樗?tīng)起來(lái)太像永動(dòng)機(jī)了。2016年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)兩種不同的物理系統(tǒng)分別證實(shí)了時(shí)間晶體的存在，徹底確認(rèn)了這種量子相態(tài)的真實(shí)性。

在超低溫條件下，超流體表面形成了一個(gè)時(shí)間晶體。圖片來(lái)源：Mikko Raskinen/阿爾托大學(xué)

然而確認(rèn)存在是一回事，讓它發(fā)揮作用是另一回事。

時(shí)間晶體的核心悖論在于：一旦與外部系統(tǒng)接觸，觀測(cè)本身就會(huì)注入能量，打破它賴(lài)以維持的量子相干性，讓它"塌縮"。這意味著它天然地與外部世界隔絕，無(wú)法被讀取，無(wú)法被使用，更無(wú)法被控制。研究者領(lǐng)導(dǎo)人耶雷·馬基寧解釋道："只要不受外部能量輸入的干擾，量子領(lǐng)域就可能實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)。這就是為什么此前從未有人將時(shí)間晶體連接到任何外部系統(tǒng)。"

阿爾托大學(xué)團(tuán)隊(duì)的突破，正是在于找到了一種繞過(guò)這個(gè)悖論的辦法。

從氦-3超流體到量子技術(shù)的現(xiàn)實(shí)路徑

團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)方案精妙而克制。研究人員將氦-3超流體冷卻至接近絕對(duì)零度，即約千分之一開(kāi)爾文，這是自然界中幾乎不存在的極端溫度條件。在此條件下，他們用無(wú)線(xiàn)電波將磁振子注入超流體，磁振子是一種準(zhǔn)粒子，即一群粒子集體表現(xiàn)出類(lèi)單粒子行為的量子現(xiàn)象。

當(dāng)無(wú)線(xiàn)電輸入關(guān)閉后，磁振子自發(fā)形成了時(shí)間晶體，并持續(xù)振蕩了驚人的長(zhǎng)度，最長(zhǎng)達(dá)到10的8次方個(gè)周期，換算成人類(lèi)可感知的時(shí)間約為幾分鐘，遠(yuǎn)超此前任何記錄。在時(shí)間晶體逐漸衰減的過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)捕捉到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻：它與附近的一個(gè)機(jī)械振蕩器發(fā)生了耦合，兩者之間出現(xiàn)了可量化的相互作用，且這種相互作用的頻率和振幅均受到振蕩器參數(shù)的影響和調(diào)控。

馬基寧指出，這種耦合行為與光機(jī)械物理學(xué)中已有充分研究基礎(chǔ)的現(xiàn)象高度類(lèi)似。LIGO，也就是美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)，正是利用類(lèi)似的光機(jī)械原理來(lái)探測(cè)引力波這一極其微弱的時(shí)空漣漪，其靈敏度已達(dá)到人類(lèi)工程史上的極限水平。阿爾托大學(xué)的時(shí)間晶體系統(tǒng)在物理邏輯上與之同構(gòu)，這意味著它可以朝著同樣的精度方向優(yōu)化。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)為時(shí)間晶體打開(kāi)了兩扇具體的應(yīng)用大門(mén)。

第一扇門(mén)是高精度傳感器。時(shí)間晶體可以作為"頻率梳"使用，成為高靈敏度測(cè)量設(shè)備中的頻率參考標(biāo)準(zhǔn)。《自然物理》期刊2026年3月17日剛剛發(fā)表的一項(xiàng)獨(dú)立研究，已經(jīng)證明離散時(shí)間晶體可以作為可用傳感器，用于探測(cè)極為微弱的交變磁場(chǎng)振蕩，展現(xiàn)出超越現(xiàn)有量子傳感技術(shù)的頻率選擇性。

第二扇門(mén)是量子計(jì)算存儲(chǔ)。這一點(diǎn)被研究團(tuán)隊(duì)視為更具顛覆性的方向。馬基寧表示，時(shí)間晶體的壽命比目前量子計(jì)算中使用的量子比特系統(tǒng)長(zhǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，理想情況下，它可以為量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)提供動(dòng)力，顯著延長(zhǎng)量子信息的保持時(shí)間，解決量子計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)期困擾工程師的退相干問(wèn)題。

華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)近期在鉆石中創(chuàng)造出"時(shí)間準(zhǔn)晶"這一全新物質(zhì)相態(tài)，進(jìn)一步擴(kuò)展了時(shí)間晶體家族的邊界。多個(gè)前沿方向同時(shí)推進(jìn)，時(shí)間晶體正在從物理學(xué)家的思想實(shí)驗(yàn)，緩慢但確實(shí)地走向工程現(xiàn)實(shí)。

通往實(shí)用仍有距離。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)必須在接近絕對(duì)零度的極端低溫下進(jìn)行，這一條件本身就限制了大規(guī)模部署的可能性。但量子技術(shù)的歷史一再證明，從實(shí)驗(yàn)室奇點(diǎn)到工程可用，距離通常比預(yù)想的要短。時(shí)間晶體與外部世界的這次握手，是真正意義上的第一步。