利用量子糾纏提升光學(xué)原子鐘精度

想象一下，走進一個房間，墻上掛著幾個不同的老爺鐘，每個老爺鐘都以不同的速度滴答作響。美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的量子物理學(xué)家們，利用量子糾纏在原子和電子尺度上再現(xiàn)了一個充滿不同滴答聲“房間”的場景。這一成就可能為開發(fā)新型光學(xué)原子鐘鋪平道路。相關(guān)研究成果9日發(fā)表在《自然》雜志上。

光學(xué)原子鐘通過監(jiān)測原子內(nèi)部固有的“滴答”頻率來極其精確地追蹤時間。盡管這些時鐘已經(jīng)達到了極高的精度，但它們?nèi)允艿搅孔恿�學(xué)中固有不確定性的限制，這似乎給時鐘的精度設(shè)定了一個無法逾越的上限。然而，量子糾纏現(xiàn)象或許能夠提供一種突破這種限制的新途徑。

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研究人員正在檢查美國實驗天體物理聯(lián)合研究所(JILA)的光學(xué)原子鐘。

當(dāng)兩個粒子處于糾纏狀態(tài)時，對一個粒子的測量會瞬間影響另一個粒子的狀態(tài)，即便兩者相隔很遠也是如此。在實際應(yīng)用中，這意味著在光學(xué)原子鐘中，被糾纏的原子不會像獨立個體那樣行為不可預(yù)測，而是表現(xiàn)得如同一個更大的單一實體，使得它們的行為更可預(yù)見。

此次研究團隊通過推動鍶原子，使其電子進入遠離原子核的高能級軌道，從而實現(xiàn)了量子糾纏。在這種狀態(tài)下，電子云變得非常擴散，就像蓬松的棉花糖。如果讓幾個這樣的原子足夠接近，它們之間的電子就會產(chǎn)生強烈的相互作用，形成糾纏態(tài)。研究人員嘗試構(gòu)建了包含單個原子以及由兩個、四個和八個原子組成的糾纏群體的時鐘模型。

實驗結(jié)果顯示，在特定條件下，基于糾纏原子的時鐘表現(xiàn)出的不確定性，顯著低于傳統(tǒng)光學(xué)原子鐘，這意味著可以在更短的時間內(nèi)達到相同的精度水平。更重要的是，這些新型時鐘甚至有望超越所謂的“標(biāo)準(zhǔn)量子極限”，而這是非糾纏系統(tǒng)理論上能達到的最佳精度極限。

這項研究不僅展示了量子技術(shù)如何提高計時精度，還為未來探索宇宙基本性質(zhì)提供了新工具。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z