科學家在一項突破性實驗中將“時間晶體”與外部世界連接起來

想象一個結構，它在時間維度上周期性振蕩，不需要任何外部能量驅動，永遠不會停下來，卻又不違反任何熱力學定律。

這不是科幻設定，而是量子物理中一個真實存在了近十年的奇異態：時間晶體。而2026年3月，來自芬蘭阿爾托大學的研究團隊宣布，他們做到了一件此前被認為幾乎不可能的事：首次將時間晶體與外部機械系統成功耦合，打通了量子孤島與外部世界之間的那道墻。

研究成果發表于《自然通訊》。

一種在時間中"結晶"的物質

普通晶體，比如食鹽或鉆石，之所以有規律的形狀，是因為原子在空間中按照固定的周期性結構排列。2012年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克在2012年提出了一個大膽設想：如果這種有序性不出現在空間里，而是出現在時間維度上，會怎樣？也就是說，一個量子系統在時間軸上做出永不衰減的周期性重復運動，同時處于能量最低狀態，既不注入能量，也不消耗能量。

他把這個假想結構稱為"時間晶體"。這個概念在當時頗具爭議，因為它聽起來太像永動機了。2016年，科學家在實驗中通過兩種不同的物理系統分別證實了時間晶體的存在，徹底確認了這種量子相態的真實性。

在超低溫條件下，超流體表面形成了一個時間晶體。圖片來源：Mikko Raskinen/阿爾托大學

然而確認存在是一回事，讓它發揮作用是另一回事。

時間晶體的核心悖論在于：一旦與外部系統接觸，觀測本身就會注入能量，打破它賴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，無法被讀取，無法被使用，更無法被控制。研究者領導人耶雷·馬基寧解釋道："只要不受外部能量輸入的干擾，量子領域就可能實現永動機。這就是為什么此前從未有人將時間晶體連接到任何外部系統。"

阿爾托大學團隊的突破，正是在于找到了一種繞過這個悖論的辦法。

從氦-3超流體到量子技術的現實路徑

團隊的實驗方案精妙而克制。研究人員將氦-3超流體冷卻至接近絕對零度，即約千分之一開爾文，這是自然界中幾乎不存在的極端溫度條件。在此條件下，他們用無線電波將磁振子注入超流體，磁振子是一種準粒子，即一群粒子集體表現出類單粒子行為的量子現象。

當無線電輸入關閉后，磁振子自發形成了時間晶體，并持續振蕩了驚人的長度，最長達到10的8次方個周期，換算成人類可感知的時間約為幾分鐘，遠超此前任何記錄。在時間晶體逐漸衰減的過程中，研究團隊捕捉到了一個關鍵時刻：它與附近的一個機械振蕩器發生了耦合，兩者之間出現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的影響和調控。

馬基寧指出，這種耦合行為與光機械物理學中已有充分研究基礎的現象高度類似。LIGO，也就是美國激光干涉引力波天文臺，正是利用類似的光機械原理來探測引力波這一極其微弱的時空漣漪，其靈敏度已達到人類工程史上的極限水平。阿爾托大學的時間晶體系統在物理邏輯上與之同構，這意味著它可以朝著同樣的精度方向優化。

這個發現為時間晶體打開了兩扇具體的應用大門。

第一扇門是高精度傳感器。時間晶體可以作為"頻率梳"使用，成為高靈敏度測量設備中的頻率參考標準。《自然物理》期刊2026年3月17日剛剛發表的一項獨立研究，已經證明離散時間晶體可以作為可用傳感器，用于探測極為微弱的交變磁場振蕩，展現出超越現有量子傳感技術的頻率選擇性。

第二扇門是量子計算存儲。這一點被研究團隊視為更具顛覆性的方向。馬基寧表示，時間晶體的壽命比目前量子計算中使用的量子比特系統長幾個數量級，理想情況下，它可以為量子計算機的存儲系統提供動力，顯著延長量子信息的保持時間，解決量子計算領域長期困擾工程師的退相干問題。

華盛頓大學的研究團隊近期在鉆石中創造出"時間準晶"這一全新物質相態，進一步擴展了時間晶體家族的邊界。多個前沿方向同時推進，時間晶體正在從物理學家的思想實驗，緩慢但確實地走向工程現實。

通往實用仍有距離。當前實驗必須在接近絕對零度的極端低溫下進行，這一條件本身就限制了大規模部署的可能性。但量子技術的歷史一再證明，從實驗室奇點到工程可用，距離通常比預想的要短。時間晶體與外部世界的這次握手，是真正意義上的第一步。