《自然物理學》重磅：共存于時間秩序與無序的新量子物相

傳統上，對物質基本相的定義和分類依賴于空間對稱性的破缺，從而產生了眾所周知的固態、液態和氣態。而時間晶體的理論預測及隨后的觀察，標志著一個深刻的轉變——它是在非平衡態系統中打破了時間平移對稱性。最近發表在《自然·物理學》的“時間回旋曲晶體的實驗觀察”這篇論文，實現了對一種更精妙的時間秩序形式的認知。這種新物相得名于古典音樂形式中的“回旋曲”——一個重復的主題穿插著對比性的變奏。時間回旋曲晶體展示了長程時間秩序與短程時間無序的迷人共存，為在量子信息科學中利用復雜性開辟了一條充滿希望的道路。

背景：時間晶體相的演變

傳統的晶體固體以其在空間中的周期性排列來定義。類似地，一個標準的離散時間晶體是一個受外部場周期性驅動的非平衡系統，但其可觀測的響應周期是驅動周期的一個倍數（通常是兩倍）。這種現象被稱為周期加倍，是離散時間平移對稱性破缺的明確標志。然而，非平衡態物理學的理論圖景表明，物質相的可能性超越了完美的周期性時間秩序。

時間回旋曲晶體（Time Rondeau Crystal）正是在這一空間中出現的，代表了一種被稱為部分時間秩序的概念。它保留了時間晶體所特有的長壽命、穩定的時間秩序，但同時在較短的時間尺度上有意地融入了結構化的隨機性。這類似于一首回旋曲（rondeau），其中主旋律可預測地回歸，但穿插的樂段（即微觀運動）則被刻意地變化，在總體確定的結構中提供了一種可調諧的混沌程度。

決定性的雙重性：時間中的秩序與無序

時間回旋曲晶體的決定性特征是兩種截然不同的時間行為的共存：

1. 長程時間秩序（頻閃秩序）：當系統僅在特定的、周期性的間隔（頻閃時間）進行觀測時，其物理可觀測值會回到一個可預測的、有序的狀態。這種秩序是穩健且持久的，能夠克服不可避免的熱化影響并持續數秒。
2. 短程時間無序（微觀運動無序）：在這些周期性觀測點之間——即單個驅動周期內的“微觀運動”——系統的動力學表現出一種可調諧、結構化的隨機性。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工程化組成部分。

這種雙重性在實驗上至關重要。雖然標準離散時間晶體的響應完全由驅動決定，但時間回旋曲晶體的部分秩序允許對微觀運動進行精確操縱，而不會破壞其根本的長程時間穩定性。

實驗實現與驗證

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。這個平臺具有高度可控性，可以通過微波脈沖進行精確操控。實驗架構是關鍵，它不僅能夠施加周期性驅動，還能施加穩定回旋曲秩序所需的非周期性及結構化的隨機驅動。

對時間回旋曲晶體相的確認依賴于一種高通量讀出方案，用于持續監測自旋極化。區分時間回旋曲晶體與標準離散時間晶體最令人信服的證據在于其頻率譜。與僅在周期加倍頻率處顯示單個尖銳\delta峰的標準離散時間晶體不同，時間回旋曲晶體的微觀運動動力學在整個頻率譜上顯示出連續、平滑的分布。這種連續的光譜支持是“確鑿證據”，它從數學上證實了短程無序與長程周期性的共存。超過四秒的穩健壽命進一步證實了對一個真正的、穩定熱力學相的觀測。

技術啟示：編碼于時間中的信息

除了其基礎物理意義外，這項工作立即展示了一個重要的潛在應用：信息編碼。短程時間無序的可控性質提供了一個隱藏的自由度。

研究團隊成功利用這種無序性，將大量數據（例如他們的論文標題）使用 ASCII 標準直接編碼到自旋系統的微觀運動動力學中。至關重要的是，這些信息存儲在時間之中，具體來說是存儲在驅動周期內不同時刻的自旋方向中，而非傳統的物理空間位置。這種能力暗示了一種量子記憶和處理的新范式。通過長程秩序來穩定系統，編碼在短程無序中的信息得到了保護，使其免于衰減，從而為實現穩健、穩定和高密度的量子數據存儲和操作提供了途徑。

結論

時間回旋曲晶體的實驗觀察標志著非平衡態量子物理學領域的一項非凡成就。通過證明時間秩序和無序不僅可以共存，而且可以被設計成一個穩定的物相，這項工作擴展了已知的量子物質圖景。其基礎物理學的精妙之處——與音樂形式的復雜結構相呼應——與在信息科學中立即可見的實際應用相匹配。這一發現挑戰著物理學家們進一步探索部分對稱性破缺和結構化驅動的巨大可能性，為利用經過設計的、復雜而受保護的時間動力學的新一代量子技術鋪平了道路。未來的研究無疑將集中于擴展這一機制的規模，并將其整合到更大的量子架構中。