物理學家用量子糾纏製造了空前精確的時鐘,物理學的一個重大突破

2021-01-22 老胡說科學

沒有什麼比原子種計時更精確了。但即使是振動的原子核,也受到量子力學定律所施加的不確定性的限制。幾年前,麻省理工學院和塞爾維亞貝爾格勒大學的研究人員提出,量子糾纏可以推動時鐘超越這個模糊的邊界。

現在,我們有了一個實驗形式的概念證明。物理學家將一團鐿—171原子云與光子流連接在一起,並測量它們微小擺動的時間。他們的結果表明,以這種方式糾纏原子可以加快原子核鐘的時間測量過程,使它們比以往任何時候都更精確。從理論上講,基於這種新方法的時鐘與時間本身相比只會損失100毫秒。

與其他基於銫和釷原子原子核的先進時鐘類似,這種裝置中的時間是通過吸收特定能量的光後,鐿原子核內的振蕩來測量的。由於鐿的原子核能夠以比銫原子核快10萬倍的速度「發出嗡嗡聲」,這使得計時機制要精確得多。

但根據量子物理學,它不可能準確地說出一個原子振動的起點和終點的時候。這個量子限制就像原子鐘擺上的一個模糊點,我們可能有一個更精準的時鐘,但如果我們甚至不能測量它,它又有什麼用呢?

如果沒有辦法克服這個障礙,即使我們把一組原子核換成一種更精確的原子核也沒有什麼用,它們的量子模糊性對原子鐘的精度造成了嚴格的限制。

一種技巧是,在由數百個微小原子組成的晶格中,記錄多個原子同時振動的頻率。目前的原子鐘技術使用的雷射被設計得儘可能穩定,為每個原子提供極其相似的光頻率。通過組合他們的集體模糊,單個原子核的不確定性就平均出來了

通過將原子以一種糾纏自旋量子概率的方式連接在一起,就有可能在系統中重新分配不確定性,以犧牲其他部分為代價提高某些部分的精確度。

麻省理工學院的物理學家舒馳說:「光就像是原子之間的通訊紐帶。」「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,並開始有相似的行為。」

這可能看起來並不那麼引人注目,但加速可能正是我們研究宇宙對時間的一些更微妙影響所需要的東西。「隨著宇宙年齡的增長,光速會發生變化嗎?」電子的電荷會改變嗎?」麻省理工學院首席研究員弗拉丹·維勒提克說。「這就是你可以用更精確的原子鐘來探測的東西。」

它甚至可以讓我們找到廣義相對論崩潰點,指向新的物理學,將時空的定義曲率與量子場的不確定性聯繫起來。或者讓我們能夠更好地測量暗物質的時間扭曲特性。站在物理學和天文學新時代的邊緣,我們真的需要時間站在我們這一邊。

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