更精確原子鐘問世 誤差只有約半秒

原子鐘是世界上最精確的計時儀器，可使用激光測量以恒定頻率振動的原子，就像許多同步擺動的微小鐘擺一樣。世界上最好的原子鐘可以非常精確地計時，如果它們從宇宙誕生之初就開始運行，到今天誤差只有約半秒。

最近，美國麻省理工學院(MIT)物理學家設計的一種新型原子鐘可能會揭示新的物理學特性，它不僅能準確計時，還能幫助破譯宇宙中的信號，如暗物質和引力波。研究人員在12月16日發表于《自然》的一項報告中說，他們已經建造了一個原子鐘，其測量的不是現在最先進的隨機振動的原子云，而是被量子糾纏的原子。原子以一種不可能根據經典物理定律的方式相互關聯，這使得科學家能夠更精確地測量原子的振動。

在沒有糾纏的情況下，這種新裝置能以比時鐘快4倍的速度達到同樣的精度。

“糾纏增強光學原子鐘有可能在1秒內達到比目前最先進的光學鐘更高的精度。”該研究主要作者、MIT電子研究實驗室的博士后Edwin Pedrozo-Penafiel說。

如果最先進的原子鐘能像MIT團隊的裝置那樣用于測量糾纏原子，它們的計時將會改進，這樣，對于整個宇宙的年齡，時鐘的誤差將不超100毫秒。

為了精確計時，理想情況下原子鐘會追蹤單個原子的振蕩。但原子是如此之小，其行為取決于量子力學的神秘規則：在測量時，其行為就像拋硬幣，只有在多次拋擲平均后才能給出正確的概率。這個極限就是物理學家所說的標準量子極限。“當增加原子的數量時，所有原子給出的平均值都趨向于給出正確的值。”該文章共同作者 Simone Colombo說。

這就是為什么今天的原子鐘被用來測量由數千種相同類型的原子組成的氣體，以得到它們的平均振蕩估計數。典型的原子鐘是這樣做的：首先使用一套激光系統將一團超高密度原子的氣體困在一個由激光形成的陷阱里。第二束非常穩定的激光，頻率接近于原子的振動頻率，用來探測原子的振動，從而記錄時間。

然而，標準量子極限仍在發揮作用，這意味著，即使在成千上萬個原子中，關于它們的確切單個頻率仍然存在一些不確定性。這就是Vladan Vuletic和團隊證明量子糾纏可能有幫助的地方。一般來說，量子糾纏描述的是一種非經典物理狀態，在這種狀態下，一組原子顯示出相關的測量結果，盡管每個原子的行為就像隨機拋硬幣一樣。

研究小組推斷，如果原子被糾纏，它們各自的振蕩將在一個共同頻率附近收緊，與沒有糾纏的情況相比，偏差更小。因此，原子鐘測量的平均振蕩，其精度將超過標準量子極限。

在新原子鐘中，Vuletic和合作者讓350個鐿原子纏繞，這些鐿原子以可見光的高頻率振動，這意味著任何一個原子在1秒內振動的頻率都比銫高10萬倍。如果鐿的振蕩可以被精確追蹤，科學家就可以用原子區分更小的時間間隔。

該小組使用標準技術來冷卻原子，并將它們困在由兩個鏡子組成的光學腔中。然后，他們通過光學腔發射一束激光，激光在反射鏡之間來回碰撞，與原子發生了數千次的相互作用。

“這就像把光充當了原子之間的通訊紐帶。”共同作者Chi Shu解釋說，“第一個看到這束光的原子會輕微地改變這束光，這束光也會改變第二個原子、第三個原子，經過許多個周期，原子集體地認識彼此，并開始有相似的行為。”

通過這種方式，研究人員將原子進行量子纏繞，然后使用另一種類似于現有原子鐘的激光來測量它們的平均頻率。當研究小組在沒有原子糾纏的情況下進行類似的實驗時，他們發現有糾纏原子的原子鐘達到預期精度的速度要快4倍。(馮維維)