利用量子纠缠，科学家研发出完美时钟，精度超过原子钟和光学钟：利用量子纠缠

原标题：利用量子纠缠，科学家研发出完美时钟，精度超过原子钟和光学钟
物理学家们曾想象着有一天能够设计出一个非常精确的时钟，它可以探测出时空中的细微扰动，或者用来它来发现那难以捉摸的暗物质。从前的梦想也许很快就要实现了，科学家们已经创造出了一种时钟，经过后续的稍加调整，它将比世界上最好的时钟还要精确4到5倍。

文章图片
“原子钟”的出现
【利用量子纠缠，科学家研发出完美时钟，精度超过原子钟和光学钟】“原子钟”曾是人类最精确的仪器，自20世纪60年代以来，负责记录全球时间和定义“一秒”的原子钟就是以铯原子为基础，它是用微波轰击铯原子，并测量电子从较低能级（称为基态）向较高能级（激发态）振荡时的时间。

文章图片
比“原子钟”更精确的“光学钟”
在过去的十年里，研究人员又开发出了比铯原子钟精确100倍的“光学钟” 。这种时钟使用激光或可见光来激发铝或镱等元素的原子，可见光的频率比微波高，因此可以激发原子振荡的速度比微波激发铯原子的速度快10万倍。这种更快的振荡为每秒的测量增加了更多的数据点，所以更加精确。

文章图片
“光学钟”受限于量子力学
但是近乎完美的光学钟也不能完美地测量时间，因为它们受制于量子力学的规则，运行时钟的原子是如此之小，以至于无法精确其固定状态，它们由概率定义，所以电子不是处于激发态或基态，而是同时处于多个能级。

文章图片
即便是增加数量取平均值，也无法突破量子极限
试图测量单个原子的状态类似于掷硬币，因为实际的测量“迫使”原子选择基态或激发态，但两者之间的状态无法测量。测量的不确定性使得无法计算出完美的时间。当增加时钟中的原子数量（相当于增加抛硬币的数量），并开始取多少个被激发的原子和不被激发的原子的平均值时，测量就变得更加精确。添加的原子越多，测量不确定性的误差就越小，比如投掷10,000个硬币要比投掷100个硬币测量的数值精确10倍，这就是为什么如今的光学时钟要通过数千个原子的振荡来测量平均时间的原因。但是，即使是这种方法也不能摆脱量子极限。

文章图片
十年前，科学家们曾有一个克服这一局限的方案
十年前，塞尔维亚贝尔格莱德大学的研究人员对如何克服这一局限有了一个想法，就是纠缠粒子。通过纠缠保留时间的原子，科学家或许能够使每对纠缠原子保持相同的状态，并以相似的频率振荡，使时钟能够克服量子极限，从而更精确地测量时间。这类似于将100个硬币放在桌子上， 50个正面朝上和50个反面朝上，在不观察的情况下随便捡起一个硬币，则硬币的正面或反面都是随机的；但是一旦拾起所有硬币，正面和反面的数目就会完全相等，就相当于这个道理。

文章图片
十年前的想法付之实践
现在，十年前的想法终于付之实践了，为此，科研团队在两面镜子之间放置了350个镱原子。然后，他们发射了一束在镜子之间来回反弹的激光束，当光撞击第一个原子时，原子改变了光。然后，该光又改变了第二个原子，接着改变了第三个原子，最后改变了其余所有的原子，直到它们全部纠缠并开始以相似的相位振荡。紧接着，研究小组使用另一台激光仪测量了这些原子振荡的平均频率。
当团队进行两个实验时（一个有纠缠的原子，另一个没有纠缠的原子），他们发现纠缠的原子能够以相同的精度测量时间，但速度却快了四倍。他们还发现，当两个时钟测量的时间相同时，纠缠的时钟更为精确。
不过科研团队仍有一些调整要做，目前他们使用的激光稳定度不是很理想，因此时钟不能完全达到不使用纠缠的最佳时钟的性能水平，通过对激光器进行调整，使用纠缠的原子有可能会令时钟更为精确。