计时创新：量子纠缠解锁前所未有的精度

量子物理学家开发了一种新型光学原子钟，利用锶原子之间的量子纠缠来实现前所未有的精度。

这一突破可能会对量子计算和精确传感产生重大影响，尽管目前它的有效运行时间只有几毫秒。

计时的量子进展

想象一下，走进一个装饰着几个不同落地钟的房间，每个落地钟都以自己独特的速度滴答作响。

科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所（NIST）的量子物理学家已经在原子和电子的尺度上有效地重现了这一场景。他们的突破可能会导致新型光学原子钟的发展，这种设备通过捕捉原子的自然“滴答”来测量时间。

该小组的新时钟是由几十个被困在晶格模式中的锶原子制成的。为了提高设备的性能，研究小组在这些原子组之间产生了一种幽灵般的相互作用，称为量子纠缠，基本上是将四种不同的时钟压扁到同一个计时装置中。

用量子力学提高精度

这不是普通的怀表：研究人员表明，至少在一个狭窄的条件范围内，他们的时钟可以超过被称为“标准量子极限”的精度基准 —— 物理学家亚当考夫曼将其称为光学原子钟的“圣杯”。

“我们能做的就是把同样长的时间分成越来越小的单位，”考夫曼说，他是这项新研究的高级作者，也是JILA的研究员，JILA是科罗拉多大学博尔德分校和NIST的联合研究所。“这种加速度可以让我们更精确地追踪时间。”该团队的进展可能会带来新的量子技术。它们包括可以测量环境细微变化的传感器，比如地球引力如何随海拔变化。

考夫曼和他的同事们，包括第一作者亚历克·曹，JILA的研究生，在10月9日的《自然》杂志上发表了他们的发现。

光学原子钟的潜力

这项研究代表了光学原子钟的另一个重大进步，它可以做的不仅仅是显示时间。

为了制造这样的设备，科学家们通常首先捕获原子云并将其冷却到极低的温度。然后他们用强大的激光击碎这些原子。如果激光调谐得恰到好处，围绕这些原子运行的电子就会从较低的能级跃迁到较高的能级，然后再跃迁回来。你可以把它想象成一个来回摆动的落地钟的钟摆 —— 只不过这些钟每秒的摆动次数超过一万亿次。

量子钟的力学

它们非常精确。例如，JILA最新的光学原子钟，只要你把它提升几分之一毫米，就能探测到重力的变化。

考夫曼说：“光学时钟已经成为量子物理许多领域的重要平台，因为它们允许你在如此高的程度上控制单个原子 —— 无论是原子在哪里，还是它们处于什么状态。”

但它们也有一个很大的缺点：在量子物理学中，像原子这样小的东西永远不会像你期望的那样表现。这些自然的不确定性似乎为时钟的精确程度设定了一个牢不可破的界限。

量子纠缠：一条通往精确的道路

然而，缠结可以提供一种解决方法。

考夫曼解释说，当两个粒子纠缠在一起时，其中一个粒子的信息会自动揭示另一个粒子的信息。实际上，时钟中纠缠的原子的行为不像个体，而更像单个原子，这使得它们的行为更容易预测。

在目前的研究中，研究人员通过轻推锶原子来产生这种量子连接，这样它们的电子就会远离原子核，就好像它们是用棉花糖做的一样。

“它就像一个蓬松的轨道，”考夫曼说。“这种蓬松感意味着，如果你让两个原子足够接近，电子可以感觉到附近的彼此，从而导致它们之间的强烈相互作用。”

这些连体对的运动速度也比原子自身运动的速度快。

该团队尝试制造时钟，其中包括单个原子的组合，以及由2个、4个和8个原子组成的纠缠组 —— 换句话说，四个时钟以四种速率同步运行。

他们发现，至少在某些条件下，与传统光学原子钟中的原子相比，纠缠原子的嘀嗒声的不确定性要小得多。

“这意味着我们可以用更少的时间达到同样的精度，”他说。

未来展望与挑战

他和他的同事们还有很多工作要做。首先，研究人员只能有效运行他们的时钟约3毫秒。超过这个时间，原子之间的纠缠就会开始滑动，导致原子的滴答声变得混乱。

但考夫曼认为该设备有很大的潜力。例如，他的团队对原子纠缠的方法可以构成物理学家所谓的“多量子位门”的基础 —— 在量子计算机中执行计算的基本操作，或者有朝一日在某些任务上超越传统计算机的设备。

考夫曼说：“问题是：我们能否通过这些系统中的精密控制，创造出具有定制属性的新型时钟？”

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！