麻省理工學院團隊設計新型原子鐘,測量量子糾纏原子獲得更精確時間

作者 | 發布日期 2020 年 12 月 17 日 14:59 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


原子鐘是世界上最精準的計時器,如果它從宇宙誕生起就運轉至今,過了 137 億年後與真實時間之誤差也僅半秒。不過最近,麻省理工學院團隊設計了一種新型原子鐘,透過測量被量子糾纏的原子能達到誤差更小的計時,僅十分之一秒。

和牆上滴滴答答的鐘一樣,原子鐘(Atomic clock)也是一種時鐘,只不過後者是以雷射光測量原子恆定共振頻率以計算及保持時間的準確度,原子中的振動是科學家目前觀察到最穩定的週期性事件,因此原子鐘比世界上所有時鐘都還要準時。而現在麻省理工學院團隊證明,原子鐘還可以更加準確地測量原子振盪,以至於足夠靈敏可檢測暗物質、重力波等現象。

研究人員已建立一個新原子鐘,但不像目前最先進設計是測量隨機振盪原子雲,而是測量已被量子糾纏的原子,因此有可能在 1 秒鐘內達到比當今最先進光學原子鐘更高的精度。

為了維持完美時間,原子鐘最好追蹤單個原子的振盪,然而原子是如此之小,以至於它按照量子力學的神秘規則行事:一旦被測量,它的行為就會開始拋硬幣,只能在多次翻轉中取一個平均值給出概率,原子數越多,測得的平均值越趨向正確。

這也是為什麼目前原子鐘是測量由成千上萬種相同類型的原子所組成之原子雲。只不過,原子再多、測不準定理依然在發揮,此時量子糾纏很可能會有所額外幫助——量子糾纏描述了一種非經典的物理狀態,即使單個原子的行為像拋硬幣一樣機率隨機,一組中的原子也會顯示出相關測量結果。

因此研究團隊認為,如果原子被糾纏,則它們的振盪將落在共同頻率,與不被糾纏的原子相比偏差較小,如果當今最先進的原子鐘能適用於測量量子糾纏的原子,則不僅時間準確度可以更提升,還能幫助解碼宇宙訊號,比如暗物質和重力波,更可以探討「隨著宇宙年齡漸增,光的速度是否會改變?電子電荷會改變嗎?」等問題。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:麻省理工學院