科學家設計新型原子鐘：140億年內誤差不超1/10秒

2020-12-21 吉林日報

據最新一期《自然》雜誌報導，美國科學家利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘，如果運行約140億年（大約是當前宇宙的年齡），該原子鐘可將時間精度保持在1/10秒之內。


麻省理工學院的研究人員解釋說，量子糾纏有助於減少測量原子鐘用來保持時間的原子振蕩所涉及的不確定性。


原子鐘通過與雷射一樣的方法來測量原子云的規則振蕩，這是科學家目前可以觀察到的最穩定的周期性事件。理想情況下，人們將能夠使用單個原子的運動。然而，在原子尺度上，量子力學的奇異規則開始起作用。測量受制於概率，必須將概率取平均才能得出可靠的數據。當增加原子數時，所有這些原子給出的平均值將產生具有正確值的東西。


當前的原子鐘從數千個超冷原子中進行測量，這些原子被雷射束縛在一個光學「陷阱」中，並由另一種雷射探測，其頻率類似於被測原子的振動頻率。但是，這種方法也受到一定程度的量子不確定性的影響。


在新設計中，研究人員糾纏了稀土元素350中的約350個原子，該元素每秒比常規原子鐘中使用的銫的振蕩頻率高10萬倍。研究人員解釋說，這意味著糾纏原子的單個振蕩在一個共同的頻率附近變緊，從而提高了時鐘進行測量的精度。


與使用常規原子鐘一樣，研究人員將原子捕獲在由兩個反射鏡界定的光學腔中，然後向腔內發射雷射，使其在反射鏡之間反射，與原子反覆相互作用並糾纏它們。研究人員使用另一臺雷射儀測量原子的平均頻率，研究發現糾纏使時鐘達到了所需精度的4倍。


研究人員表示，通過延長測量時間，可以使時鐘更精確。新時鐘的設計可用來更好地破解宇宙的各種未解之謎。隨著宇宙的老化，光速會改變嗎？電子的電荷會改變嗎？這都可以用更精確的原子鐘進行探測。

來源：科技日報

吉林日報全媒體 編輯：徐青媛

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