研究人员探索了光学原子时钟中引力效应与量子相互作用之间的相互作用，揭示了在高精度计时方面量子纠缠的更多信息。
一个多世纪以来，物理学家一直在思考科学中最深刻的问题之一：量子力学的规则如何与描述宇宙最大尺度的广义相对论的法则相融合？
光学晶格时钟是最精确的计时设备之一，成为应对这一重大挑战的强大工具。在光学晶格时钟中，原子被激光束形成的“晶格”势阱捕获，并通过量子相干性和量子力学所支配的相互作用进行精确控制。与此同时，根据爱因斯坦的广义相对论，时间在更强的引力场中流逝得更慢。这种现象称为引力红移，导致原子内部能级的微小变化，取决于它们在引力场中的位置，从而引起其“滴答声”——定义光学晶格时钟的振荡——发生变化。
通过测量这些超精密时钟中振荡频率的微小变化，研究人员能够探索爱因斯坦相对论理论对量子系统的影响。虽然对于单个原子的相对论效应已经被很好地理解，但它们在多体量子系统中的作用，即原子之间可以相互作用并变得纠缠，仍然基本上没有被探索。
朝着这个方向迈出一步，研究人员在JILA和NIST的研究员以及科罗拉多大学博尔德分校的物理学教授Jun Ye和Ana Maria Rey的领导下，与汉诺威的莱布尼茨大学、奥地利科学院和因斯布鲁克大学的科学家们合作，提出了探索相对论效应（如引力红移）对光学原子时钟中量子纠缠和相互作用的影响的实用方案。他们的研究揭示，引力效应与量子相互作用之间的相互作用可以导致意想不到的现象，如原子同步和粒子之间的量子纠缠。该研究的结果发表在《物理评论快报》中。
“我们的一项关键发现是，原子之间的相互作用可以帮助将它们锁定在一起，使它们现在表现为一个统一的系统，而不是因为引力红移而独立地滴答声，”论文的第一作者、前JILA研究生现在芝加哥大学的博士后研究员Anjun Chu博士解释说。“这真是太酷了，因为它直接显示了量子相互作用与引力效应之间的相互作用。”
“广义相对论[GR]与量子纠缠之间的相互作用已经让物理学家困惑了多年，”Rey补充道。“挑战在于，大多数实验中的GR修正微不足道，使其极其难以检测。然而，原子时钟现如今正达到前所未有的精度，将这些难以捉摸的效应带入可测量的范围。由于这些钟同时探测许多原子，它们提供了一个独特的平台来探索GR与多体量子物理的交集。在这项工作中，我们研究了原子通过在光学腔内交换光子相互作用的系统。有趣的是，我们发现，虽然单个相互作用本身对时钟的滴答声没有直接影响，但它们对红移的集体影响可以显著改变动力学，甚至在原子之间产生纠缠，这非常令人兴奋。”
区分引力效应
为了探索这一挑战，团队设计了创新方案，以观察引力红移如何干扰量子行为。他们首先关注的一个问题是如何独特地区分光学晶格时钟中的引力效应与其他噪声源贡献的微小频率变化。他们采用了一种称为调制协议的技术，该技术涉及用激光光束操控粒子的内部状态。虽然调制协议在量子光学中是标准工具，但这是该协议首次被用于微调引力效应。
可调性基于著名的爱因斯坦方程E=mc²所阐述的质量-能量等价机制，这意味着粒子内部能量的变化可以微妙地改变其质量。基于这一机制，激发态的原子与基态的同一原子相比，其质量略大。引力势能中的质量差异等价于引力红移。调制协议提供了一种灵活的方法，通过控制粒子保持在两个内部能量状态的叠加中，从而调节质量差异，因此调节引力红移。粒子可以调节为同时占据两个状态，而不是严格处于基态或激发态，并在这两个水平之间持续变化占据概率。这项技术提供了前所未有的内部状态控制，使研究人员能够微调引力效应的大小。
通过这种方式，研究人员能够区分系统中真实的引力红移效应与其他影响（如磁场梯度）。
“通过改变你正在处理的粒子内部能级的叠加，你可以改变引力效应表现的大小，”JILA研究生Maya Miklos指出。“这是一种非常巧妙的方法，可以在量子层面探测质量-能量等价。”
观察同步与纠缠
在提供了区分真实引力效应的方案后，研究人员探索了量子多体动态中的引力表现。他们利用通过将原子置于光学腔中而产生的光子介导的相互作用。
如果一个原子处于激发态，它可以通过向腔内发射光子而回落到基态。此光子不一定逃出系统，但可以被另一个处于基态的原子吸收，从而激发它。这样的能量交换——称为光子介导的相互作用——是使粒子相互作用的关键，即使它们无法实际接触。
这样的量子相互作用可以与腔内单个原子的引力效应相竞争。通常，位于引力场不同“高度”的粒子因引力红移而在“滴答声”上存在微小差异。如果粒子之间没有相互作用，振荡频率的微小差异会导致它们随时间脱离同步。
然而，当引入光子介导的相互作用时，发生了一些令人瞩目的事情：粒子开始同步，尽管因引力引起的振荡频率差异，它们的滴答声有效地“锁定”在一起。
“这太迷人了，”Chu说。“你可以将每个粒子视为它自己的小时钟。但当它们相互作用时，它们开始同步滴答，尽管引力试图拉开它们的计时。”
这种同步展示了引力效应与量子相互作用之间的迷人相互作用，后者可以覆盖引力红移造成的自然脱同步。
这种同步不仅仅是奇特的现象——它还导致了量子纠缠的产生，量子纠缠是一种粒子互相联结的现象，其中一个粒子的状态会立即影响另一个。值得注意的是，研究人员发现同步速度也可以作为纠缠的间接测量，提供了对量子相互作用之间相互作用的定量分析。“同步是我们可以看到的第一个现象，揭示了引力红移与量子相互作用之间的这种竞争关系。”JILA博士后研究员Dr. Kyungtae Kim补充说。“这为我们提供了如何平衡这两种力量的窗口。”
推进物理研究
尽管这项研究揭示了这两个物理领域之间的初步相互作用，但所开发的协议可以帮助改进实验技术，使其更加精确——应用范围从量子计算到基础物理实验。
“探测这种GR促进的纠缠将是一个突破性的成就，我们的理论计算表明，它在当前或近期实验的可实现范围内。”Rey说。
未来的实验可以探索粒子在不同条件下的行为或相互作用如何放大引力效应，使我们更接近于统一现代物理学的两大支柱。
这项研究得到了斯隆基金会、西蒙斯基金会和海辛-西蒙斯基金会以及JILA PFC的支持。
