麻省理工设计出更精准的量子纠缠原子钟

原子钟是我们今天所拥有的最准确的计时工具，最精准的原子钟150亿年的误差不超过一秒。但总是有改进的空间，麻省理工学院（MIT）的研究人员现在已经用一种新的量子纠缠原子钟证明了这一点。

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原子以如此精确可靠的模式振动，以至于你可以根据它们来设置手表--这正是原子钟的作用。这些时计使用激光来测量这些振荡，得出的时间精确到足以制定国家和国际标准。例如，铯133的共振频率为9,192,631,770Hz,而且非常稳定，自1968年以来，这种模式已正式定义了秒。

现在，麻省理工学院的一个物理学家团队设计出了一种新型的原子钟，它可以进一步推动精度的极限。理想情况下，跟踪单个原子的振动应该能最精确地保持时间，但不幸的是，随机的量子波动会使测量结果混乱。这就是所谓的标准量子极限。

因此，量子钟通常会追踪一种由数千个相同类型的原子组成的气体--传统上是铯，尽管近年来镱正在成为新的领跑者。这些原子几乎被冷却到绝对零度，然后用激光器固定在原地，同时另一个激光器测量它们的振荡。通过取许多原子的平均值，可以得出更准确的答案。

不幸的是，标准量子极限的影响可能会减少，但不能完全消除。麻省理工学院团队的新原子钟进一步降低了影响，这要归功于量子纠缠。这听起来不可能，但在某些情况下，原子可以变得如此纠缠，以至于测量其中一个原子的状态可以瞬间改变其伴侣的状态--无论它们相隔多远。这就是所谓的量子纠缠，新的时钟利用这种现象实现了更高精度的计时。

研究人员从大约350个镱-171原子开始，这种原子的振荡速度甚至比铯还要快。这些原子被困在两个镜子之间的光腔中，然后用激光照射到光腔中，使原子发生量子纠缠。

“这就像光作为原子之间的沟通纽带，”该研究的共同作者Chi Shu说。“第一个原子看到这道光，会稍微修改一下光，这道光也会修改第二个原子，第三个原子，通过许多循环，原子们共同认识对方，并开始表现得相似。”

一旦原子被纠缠在一起，第二道激光就会照射到云层中，测量它们的平均频率。研究小组发现，这种方法创建的时钟可以达到特定的精度，比使用非纠缠原子的类似时钟快四倍。

研究人员表示，这种方法可以使原子钟变得如此精确，以至于在整个宇宙时代之后，它们仍然会有不到100毫秒的不同步。另外，它们还可以帮助科学家研究一些物理学中最大的未解问题，比如暗物质、引力波，以及物理学规则是否会随着时间而改变。

“随着宇宙的老化，光速是否会发生变化？”该研究的共同作者Vladan Vuletic说。"电子的电荷是否会发生变化？这是你可以用更精确的原子钟来探究的。"

这项研究发表在《自然》杂志上。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-3006-1

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