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

最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)物理學(xué)家設(shè)計(jì)的一種新型原子鐘可能會(huì)揭示新的物理學(xué)特性，它不僅能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，還能幫助破譯宇宙中的信號(hào)，如暗物質(zhì)和引力波。研究人員在12月16日發(fā)表于《自然》的一項(xiàng)報(bào)告中說(shuō)，他們已經(jīng)建造了一個(gè)原子鐘，其測(cè)量的不是現(xiàn)在最先進(jìn)的隨機(jī)振動(dòng)的原子云，而是被量子糾纏的原子。原子以一種不可能根據(jù)經(jīng)典物理定律的方式相互關(guān)聯(lián)，這使得科學(xué)家能夠更精確地測(cè)量原子的振動(dòng)。

在沒(méi)有糾纏的情況下，這種新裝置能以比時(shí)鐘快4倍的速度達(dá)到同樣的精度。

“糾纏增強(qiáng)光學(xué)原子鐘有可能在1秒內(nèi)達(dá)到比目前最先進(jìn)的光學(xué)鐘更高的精度。”該研究主要作者、MIT電子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后Edwin Pedrozo-Penafiel說(shuō)。

如果最先進(jìn)的原子鐘能像MIT團(tuán)隊(duì)的裝置那樣用于測(cè)量糾纏原子，它們的計(jì)時(shí)將會(huì)改進(jìn)，這樣，對(duì)于整個(gè)宇宙的年齡，時(shí)鐘的誤差將不超100毫秒。

為了精確計(jì)時(shí)，理想情況下原子鐘會(huì)追蹤單個(gè)原子的振蕩。但原子是如此之小，其行為取決于量子力學(xué)的神秘規(guī)則：在測(cè)量時(shí)，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(gè)極限就是物理學(xué)家所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。“當(dāng)增加原子的數(shù)量時(shí)，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(shuō)。

這就是為什么今天的原子鐘被用來(lái)測(cè)量由數(shù)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(jì)數(shù)。典型的原子鐘是這樣做的：首先使用一套激光系統(tǒng)將一團(tuán)超高密度原子的氣體困在一個(gè)由激光形成的陷阱里。第二束非常穩(wěn)定的激光，頻率接近于原子的振動(dòng)頻率，用來(lái)探測(cè)原子的振動(dòng)，從而記錄時(shí)間。

然而，標(biāo)準(zhǔn)量子極限仍在發(fā)揮作用，這意味著，即使在成千上萬(wàn)個(gè)原子中，關(guān)于它們的確切單個(gè)頻率仍然存在一些不確定性。這就是Vladan Vuletic和團(tuán)隊(duì)證明量子糾纏可能有幫助的地方。一般來(lái)說(shuō)，量子糾纏描述的是一種非經(jīng)典物理狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一組原子顯示出相關(guān)的測(cè)量結(jié)果，盡管每個(gè)原子的行為就像隨機(jī)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(gè)共同頻率附近收緊，與沒(méi)有糾纏的情況相比，偏差更小。因此，原子鐘測(cè)量的平均振蕩，其精度將超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

在新原子鐘中，Vuletic和合作者讓350個(gè)鐿原子纏繞，這些鐿原子以可見(jiàn)光的高頻率振動(dòng)，這意味著任何一個(gè)原子在1秒內(nèi)振動(dòng)的頻率都比銫高10萬(wàn)倍。如果鐿的振蕩可以被精確追蹤，科學(xué)家就可以用原子區(qū)分更小的時(shí)間間隔。

該小組使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)冷卻原子，并將它們困在由兩個(gè)鏡子組成的光學(xué)腔中。然后，他們通過(guò)光學(xué)腔發(fā)射一束激光，激光在反射鏡之間來(lái)回碰撞，與原子發(fā)生了數(shù)千次的相互作用。

“這就像把光充當(dāng)了原子之間的通訊紐帶。”共同作者Chi Shu解釋說(shuō)，“第一個(gè)看到這束光的原子會(huì)輕微地改變這束光，這束光也會(huì)改變第二個(gè)原子、第三個(gè)原子，經(jīng)過(guò)許多個(gè)周期，原子集體地認(rèn)識(shí)彼此，并開(kāi)始有相似的行為。”

通過(guò)這種方式，研究人員將原子進(jìn)行量子纏繞，然后使用另一種類似于現(xiàn)有原子鐘的激光來(lái)測(cè)量它們的平均頻率。當(dāng)研究小組在沒(méi)有原子糾纏的情況下進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)有糾纏原子的原子鐘達(dá)到預(yù)期精度的速度要快4倍。(馮維維)