2021年11月30日，Nature刊发了谷歌量子计算机团队实现时间晶体实验的研究，将这一新领域再掀波澜。时间晶体是2012年由理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主维尔切克提出的一种新物质形态。随着研究人员的不断深入探索，时间晶体的理论与实验均发生了巨大的改变。在理论方面，物理学家对最初提出的量子时间晶体概念进行了“围攻”，后来提出了离散时间晶体的新概念。
而在实验方面，多项表明实现离散时间晶体实验遭到争议，其实验呈现方式并非与理论概念吻合。在短短不到10年间，关于时间晶体的研究在各方团队的质疑中迅速发展。本文将从时间晶体的来由讲起，着重介绍多体局域化保护的离散时间晶体和实验发展，及有关的激烈论战，希冀读者了解离散时间晶体理论，以及基于量子计算机的量子模拟。
时间晶体这一奇特的概念，源自诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克2012年提出的一个大胆设问：是否存在一种物质，当其处于基态附近时，在时间维度上会自发出现周期性变化，就像空间晶体在空间维度上自发出现周期性重复一样。更为确切地说，生活中常见的晶体源于众多原子发生空间连续平移对称性自发破缺，从而形成空间离散平移对称的自组织结构。
与其类似，维尔切克最初定义的时间晶体，则是在一个不含时系统，其基态发生的时间连续平移对称性破缺，从而使其状态及可观测量发生周期性变化的时间自组织结构。
尽管破缺连续时间平移对称性的量子时间晶体模型遭遇了极多困难，但自2015年克里斯托弗·萨查第一次明确地引入离散时间对称性自发破缺这一概念以来，离散时间晶体理论的发展呈现一片欣欣向荣。以诺曼·姚、维迪卡·凯曼尼以及多米尼克·埃尔斯为代表的凝聚态科学家，从不同角度出发，最终完成了自旋系统中离散量子时间晶体模型的构建。
在实验平台上检验此理论自然就水到渠成了。2017-2018年两年间，来自马里兰大学的离子阱实验团队、哈佛大学的金刚石色心实验团队和耶鲁大学的核磁共振量子平台团队分别在《自然》、《物理评论快报》等顶尖刊物上报道了他们实现离散时间晶体并观察其“倍周期”行为的工作。这一消息不仅使得学界振奋，大众媒体也争相报道。但是在一派热闹气氛下，学界的争议却并未停止，甚至在随后的时间里引发了更大的波澜。
离散时间晶体实验出现后，最主要的质疑是：这些被制造出来的离散时间晶体，是否真的是性质良好、永不热化的多体局域化时间晶体，还是其中掺杂了其他的动力学机制？金刚石色心实验与核磁共振实验存在的问题最为突出。在金刚石色心实验中，尽管具有较强的失序，但是其相互作用形式——三维长程偶极相互作用——与多体局域化并不相容。实验组也承认这是一种最终还会热化的“临界时间晶体”。
核磁共振实验则完全没有失序，因此不属于多体局域化保护的离散时间晶体。
2021年底，谷歌量子计算团队所实现的离散时间晶体实验，被美国物理学会（APS）Physics和英国物理学会（IOP）Physics World评为年度物理学突破之一。对离散时间晶体的研究，刷新了人们对了周期性驱动系统、多体局域化、预热化以及量子热化过程等领域的理解，并促使更多不同领域的科研工作者投身其中。
从离散时间晶体的发展过程可以看出，科学探索在大多数时候都不是一番风顺的，需要否定之否定，以及学术上针锋相对的论战。在科学探索中，有创见的错误比平庸的正确更有价值，因为错误中可能孕育着新的思想。时间晶体正好赶上了量子计算技术突飞猛进，才得以在短时间内获得迅猛发展而非被埋没。这引发我们深思：理论和实验应当如何看待彼此，应该如何合作，才能推动一个科学领域不断前行？