利用量子糾纏提升光學(xué)原子鐘精度

想象一下，走進(jìn)一個(gè)房間，墻上掛著幾個(gè)不同的老爺鐘，每個(gè)老爺鐘都以不同的速度滴答作響。美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國(guó)國(guó)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(gè)充滿不同滴答聲“房間”的場(chǎng)景。這一成就可能為開(kāi)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(guò)監(jiān)測(cè)原子內(nèi)部固有的“滴答”頻率來(lái)極其精確地追蹤時(shí)間。盡管這些時(shí)鐘已經(jīng)達(dá)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(shí)鐘的精度設(shè)定了一個(gè)無(wú)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(guó)實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所(JILA)的光學(xué)原子鐘。

當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏狀態(tài)時(shí)，對(duì)一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)瞬間影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即便兩者相隔很遠(yuǎn)也是如此。在實(shí)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(huì)像獨(dú)立個(gè)體那樣行為不可預(yù)測(cè)，而是表現(xiàn)得如同一個(gè)更大的單一實(shí)體，使得它們的行為更可預(yù)見(jiàn)。

此次研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)推動(dòng)鍶原子，使其電子進(jìn)入遠(yuǎn)離原子核的高能級(jí)軌道，從而實(shí)現(xiàn)了量子糾纏。在這種狀態(tài)下，電子云變得非常擴(kuò)散，就像蓬松的棉花糖。如果讓幾個(gè)這樣的原子足夠接近，它們之間的電子就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(gè)原子以及由兩個(gè)、四個(gè)和八個(gè)原子組成的糾纏群體的時(shí)鐘模型。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在特定條件下，基于糾纏原子的時(shí)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(shí)間內(nèi)達(dá)到相同的精度水平。更重要的是，這些新型時(shí)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(dá)到的最佳精度極限。

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

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