保持準確的時間比聽起來更為複雜。當今世界上最先進的時鐘，主要用於 GPS 導航、衛星通信及基礎物理測試，依賴於精確控制的原子和激光。這些時鐘雖然極其精確，但體積龐大，耗能亦高，並且難以在專業實驗室外運行。最近一項新的數學研究顯示，一種被稱為時間晶體的特殊物質狀態，可能提供一種更穩定且潛在簡化的計時方法。研究指出，時間晶體在原則上可以超越傳統量子時鐘設計的精確性，特別是在測量極短時間間隔方面。
研究作者指出：「量子時間晶體確實是真正的量子時鐘，其性能因時間平移對稱的自發破缺而增強。」時間平移對稱的意思是物理規則不隨時間而改變。現代的原子時鐘較為複雜。在深入了解研究者的工作之前，首先需要明白當今最佳時鐘的運作原理。現代光學原子時鐘利用激光將原子或離子冷卻至極低溫度，隨後，激光激發這些原子內部的電子，將其推向更高的能量水平。當電子回落時，會以非常特定的頻率發出光。
由於這些光學頻率極為穩定，且遠高於舊型原子時鐘所使用的微波信號，因此能夠進行更精確的時間測量。然而，這樣的系統需要持續的外部驅動、強大的激光以及小心的環境噪音隔離。維持這種穩定性在技術上具有挑戰性，且耗能巨大。
時間晶體則提供了另一種思路。在物理學中，晶體是任何在空間中有重複模式的系統，如鹽或鑽石中原子的有序排列。然而，時間晶體則是在時間中重複的。其內部結構以規律的節奏振盪，而不需要像通常的方式那樣不斷消耗能量。自2016年首次進行實驗性展示以來，時間晶體吸引了物理學家的興趣，因為其運動似乎源於系統自身的內部相互作用。
研究團隊希望探討這種自我維持的節奏是否可以作為機械時鐘。為了測試這一點，他們建立了一個包含100個量子粒子的數學模型。每個粒子可以處於兩種自旋狀態之一——向上或向下。即使只有這兩種可能性，100個粒子也能組合成大量的集體自旋排列。研究者研究了這些組合狀態隨時間的演變，並分析了系統的兩個不同操作相位。
首個相位為傳統相位，集體自旋僅在外部激光場驅動下振盪。接著是時間晶體相位，集體行為中的重複模式自動出現，無需持續的外部激勵。團隊隨後評估了每個相位測量時間的能力。實際上，他們檢查了系統能多精確地區分越來越短的時間間隔。當他們向更細微的分辨率推進時，傳統相位的準確性迅速下降，而時晶體相位則保持更強的穩定性。
因此，這項研究成功顯示，時間晶體內部生成的振盪可能比外部驅動系統更能抵抗精確性的損失。儘管這些結果是理論性的，建造一個運作正常的時間晶體時鐘仍需重大的技術進步。實際系統受到噪音、缺陷及環境擾動的影響，這些因素難以完美建模。然而，這項研究為時間晶體可能成為新型量子時鐘的基礎提供了堅實的數學基礎。若能在實驗中實現，這類時鐘可能會影響從安全通信到先進導航等眾多技術。該研究發表於《物理評論快報》期刊。
