一个让许多物理学家兴奋的物体，现在它已经在量子计算机中被创建，它的名字听起来有点科幻的味道：时间晶体。
我们都知道像盐晶体这样的普通晶体，它们中的原子都以有序的方式排列。就好像每个原子都坐在一个正方形的格子上，科学家称之为晶格。如果你是站在其中一个原子上的量子蚁人，并且你在空间中向某个方向移动，你会定期、周期性地遇到其他相同的原子。普通晶体的原子结构在空间中一次又一次地重复，所以如果你查看它的任何部分，你会看到相同的重复模式。
原子或分子形成晶体的原因是，这将结构置于其所有系统中的最低能量状态。2012年，诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·威尔切克询问是否有可能制造出在时间而非空间上对称的晶体。这意味着它所包含的粒子不断地重新排列成不同的构型，但在一定的时间间隔内，它们会返回到完全相同的构型。
威尔切克说，这样的行为就像粒子系统中自发出现的时钟，以它为自己设定的速度滴答作响。制造时间晶体不仅仅是物理学家的智力练习，它也可能很有用：它们将成为自然的计时员，根据自己选择的脉搏跳动。一些研究人员认为时间晶体可能有助于我们制造更好的原子钟；其他人则认为，由量子粒子制成的时间晶体可以作为构建量子计算机的组件。
威尔切克描述的有规律、周期性行为看起来很像钟摆，在每次来回摆动结束时，摆锤或它所包含的所有原子都返回到相同的位置。但是，无论制造得多好，普通的钟摆不能永远摆动。枢轴点的摩擦力将使其缓慢失去能量，直到它停止摆动。威尔切克想知道是否有某种方法，可以制造没有向系统注入能量，就能保持运动的时间晶体。
威尔切克承认，时间晶体听起来很危险，就像热力学定律所禁止的永动机一样。但他乐观地认为，只要不消耗能量也不产生能量，应该就能永远振荡下去。三年后，其他物理学家证明，量子时间晶体无法避免和钟摆一样的问题，它会逐渐消散它开始时的能量，因此振荡会慢慢消失。
但这并没有让物理学家对时间晶体失去兴趣，因为我们可以像保持钟摆摆动一样，每隔一段时间稍微推动一下，时间晶体可以通过某种驱动力向其注入能量来保持振荡。这应该没什么大不了的，因为我们经常看到这种情况发生，例如通过推动秋千来使它保持摆动，你会发现秋千振荡的频率与推的频率相同。
但是，物理学家们意识到，对于威尔切克研究过的那种量子系统，当你通过这种周期性驱动力产生振荡时，会发生一些奇怪的事情：振荡的周期与驱动的周期不同，它可以是两倍长，或者是三倍长，甚至是任何整数倍。就好像粒子在说感谢推动，但我们将以我们选择的频率振动。所以事实证明，这种行为是真正的时间晶体行为，因为周期性是由晶体内粒子的相互作用产生的，而不是来自于推动。推动所做的只是阻止时间晶体耗尽能量，并且因为振荡周期是驱动周期的某个整数或离散倍数，所以它们被称为离散时间晶体。
制造时间晶体
制造量子时间晶体的方法之一是取一排原子，它们有一个自旋，可以指向上或下。在时间晶体状态中，向上或向下旋转会像波浪一样沿着行来回翻转。他们会用某种方式做到这一点，使结构成为时间晶体。我们需要不断增加能量以维持这一波，然后还要找到一种消散这种能量的方法，这样系统就不会变得太热而分崩离析。
2017年，两个团队报告说，他们已经在自旋链中实验性地制造了离散的量子时间晶体。尽管如此，他们仍然不能完全阻止这些系统吸收过多的能量。直到 2021年，两个科学家团队才制造了一个离散的量子时间晶体，理论上可以永远保持振荡。他们实际上在量子计算机中制造了它们。
量子计算机使用量子比位进行计算，它们就像具有自旋的粒子，可以指向上或下，这些向上或向下状态对二进制信息的1和0进行编码。这些位是使用量子力学规则进行操作的，这使得量子计算机可以做普通经典计算机不可能做的事情。在这些实验中，振荡仅在大约100个周期后就消失了，这是因为当今任何量子计算机中的量子位与周围的物质相互作用时会变得混乱，这是一个称为量子退相干的过程。这与时间晶体本身的故障没有任何关系。