量子物理学家利用纠缠来提高光学原子钟的精度

Josiah02

想象一下，走进一个房间，墙上挂着几座不同的落地钟，每座钟的滴答声都不同。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) 的量子物理学家基本上在原子和电子的尺度上重建了那个房间。该团队的进步可能为新型光学原子钟铺平道路，这种设备通过测量原子的自然“滴答声”来追踪时间的流逝。
该团队的新时钟由几十个被困在晶格图案中的锶原子制成。为了提高设备的性能，该团队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类型的时钟挤压到同一个计时装置中。
它可不是普通的怀表：研究人员表明，至少在一定范围内的条件下，他们的时钟可以超越被称为“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”。
“我们能够做的是将相同的时间长度划分为越来越小的单位，”新研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校和 NIST 的联合研究机构 JILA 的研究员考夫曼说。“这种加速可以让我们更精确地跟踪时间。”
该团队的进展可能带来新的量子技术。其中包括可以测量环境细微变化的传感器，例如地球引力如何随海拔高度变化。
考夫曼和他的同事，包括第一作者、JILA 研究生 Alec Cao，于10 月 9 日在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。
套索原子
这项研究代表了光学原子钟的又一重大进步，其功能远不止报时。
为了制造这种装置，科学家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轰击这些原子。如果激光的调节恰到好处，围绕这些原子旋转的电子将从较低的能级跃升到较高的能级，然后再跳回来。可以把它想象成一个来回摆动的落地钟的钟摆——只是这些钟的滴答声每秒超过一万亿次。
它们非常精确。例如， JILA 最新的光学原子钟只要被抬高几分之一毫米就能探测到重力的变化。
考夫曼说：“光学钟已经成为量子物理学许多领域的重要平台，因为它们可以让你在高水平上控制单个原子——包括这些原子的位置以及它们所处的状态。”
但它们也有一个很大的缺点：在量子物理学中，像原子这样小的物体永远不会像你预期的那样表现。这些自然的不确定性为时钟的精确度设定了一个似乎无法突破的极限。
然而，纠缠可以提供一种解决方法。
蓬松的轨道
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泄露另一个粒子的信息。实际上，时钟中纠缠的原子的行为更像单个原子，而不是个体，这使得它们的行为更容易预测。
在当前的研究中，研究人员通过推动锶原子产生这种量子联系，使得它们的电子远离原子核运行——就好像它们是由棉花糖制成的一样。
考夫曼说：“这就像一个蓬松的轨道。这种蓬松性意味着，如果两个原子距离足够近，电子就能在附近相互感知，从而产生强烈的相互作用。”
这些连接在一起的原子的运转速度也比单个原子快。
研究团队尝试制作由单个原子与两个、四个和八个原子的纠缠群组合而成的时钟，换句话说，四个时钟以四种速率滴答作响。
他们发现，至少在某些条件下，纠缠原子在滴答作响时比传统光学原子钟中的原子具有小得多的不确定性。
“这意味着我们用更少的时间就能达到同样的精度水平，”他说。
精湛的控制
他和同事们还有很多工作要做。首先，研究人员只能让时钟有效运行大约 3 毫秒。如果时间超过这个时间，原子之间的纠缠就会开始减弱，导致原子滴答声变得混乱。
但考夫曼认为该设备潜力巨大。例如，他的团队对原子纠缠的方法可以成为物理学家所说的“多量子比特门”的基础——这是量子计算机中执行计算的基本操作，或者有朝一日可能在某些任务上胜过传统计算机的设备。
“问题是：我们能否利用这些系统中的精确控制，创造出具有定制特性的新型时钟？”考夫曼说。