新型原子钟诞生！140亿年内误差不超1/10秒，以量子纠缠原子为中心

麻省理工学院的研究人员设计了一种方法，可以帮助建造迄今为止最精确的原子钟。

这种新型原子钟非常精确，140亿年后的误差还不到十分之一秒，这将有助于科学家研究重力对时间的影响。

他们的设计以量子纠缠原子为中心，而不是测量随机振荡的原子。为此，美国专家的设计利用了一种叫做量子纠缠的奇异现象，在这种现象中粒子会紧密地连接在一起。

研究人员解释说，这种纠缠有助于减少测量原子振荡时的不确定性，原子时钟用来计时。

这个时钟可以用来揭示构成宇宙四分之三以上的难以捉摸的“暗物质”，也可以用来研究引力对时间的影响。

麻省理工学院的电子工程师、论文作者Edwin Pedrozo-Penafiel说:“与目前最先进的光学时钟相比，量子纠缠增强光学原子钟有可能在1秒内达到更高的精度。”

就像老爷钟利用摆锤的摆动来计时一样，原子钟利用激光来测量原子云的有规律的摆动——这是科学家目前可以观测到的最稳定的周期性事件。

理想情况下，人们可以利用单个原子的运动。然而在原子尺度上，奇异的量子力学规则开始发挥作用——测量的概率必须被平均出来，才能产生可靠的数据。

麻省理工学院(MIT)的物理学家、论文作者科伦坡(Simone Colombo)解释说:“当你增加原子的数量时，所有这些原子的平均值都趋向于给出正确的值。”

目前的原子钟测量数千个超冷原子——用激光把它们关在一个光学“陷阱”里，然后用另一种频率与被测原子振动频率相似的激光探测它们。

然而，即使是这种方法也存在一定程度的量子不确定性——但是，正如研究小组所展示的那样，其中一些问题可以通过量子纠缠消除，在量子纠缠中，一组原子可以进行相关测量。

研究人员解释说，这意味着纠缠原子的单个振荡在一个共同频率附近被收紧，从而提高了时钟测量的精度。

在他们的新设计中，佩德罗索-佩纳菲耶尔博士和同事们让大约350个稀土元素镱原子纠缠在一起，镱原子每秒振荡10万次，比铯原子(传统原子钟中使用的元素)的频率要高。

这一事实意味着，如果追踪准确的话，这种新时钟甚至可以分辨出更小的时间内部因素，从而变得更准确。

和普通原子钟一样，研究小组将原子困在由两个镜子包围的光学腔中，然后发射激光穿过腔，使激光在两个镜子之间反弹，反复与原子相互作用并使它们纠缠在一起。

论文作者、同样来自麻省理工学院的物理学家Chi Shu称，这就好像光充当了原子之间的通讯纽带。

“第一个看到这束光的原子会轻微地改变这束光，这束光也会改变第二个原子、第三个原子，经过许多个周期，原子集体地相互了解，并开始表现出相似的行为。”

然后，研究小组用另一种激光测量原子的平均频率——与现有原子钟所用的方法类似。研究小组发现，这种纠缠让时钟以快4倍的速度达到预期精度。

麻省理工学院的物理学家、论文作者Vladan Vuletic说:“你总是可以通过测量更长的时间来让时钟更精确。”

“问题是，你需要多长时间才能达到一定的精度。许多现象需要用快速的时间尺度来衡量。”

Vuletic教授补充说，新的时钟设计可以用来更好地解决宇宙中各种未解之谜。

该研究的全部发现发表在《自然》杂志上。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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