量子物理学家们利用一种被称为纠缠的奇特现象，以提高光学原子钟的准确性，这种钟通过原子固有的“滴答”来测量时间。
想象一下走进一个房间，里面充满了各种的老式挂钟，每个钟以独特的间隔滴答。
来自科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员已成功地在原子和电子水平上再现了这种实验空间。他们的创新可能会导致先进光学原子钟的开发，这种设备通过监测原子的自然“滴答”来测量时间。
这种新钟的设计利用了多个按晶格结构排列的锶原子。为了提高其有效性，团队在原子组之间诱导了一种被称为量子纠缠的超凡互动——基本上将四种不同类型的钟合并为一个计时设备。
这不仅仅是一个普通的计时器：研究人员证明，在特定条件下，他们的时钟可以超越一种被称为“标准量子极限”的精度基准，物理学家亚当·考夫曼将其称为光学原子钟的“圣杯”。
考夫曼，作为该研究的主要作者和JILA（科罗拉多大学博尔德分校与NIST的合作机构）的研究人员，解释道：“我们可以将相同的时间段细分为越来越小的间隔。这一提升可以实现更准确的计时。”
团队所取得的进展可能导致新型量子技术的产生，包括能够检测微小环境变化的传感器，例如由于高度变化导致的地球引力的变化。
考夫曼和他的团队，包括研究的主要作者JILA的研究生阿莱克·曹，于10月9日在《自然》杂志上发布了他们的研究成果。
捕捉原子
这项研究标志着光学原子钟的一次重大飞跃，这些钟的功能不仅仅是计时。
为了构建这样一种设备，科学家通常先收集并将一团原子冷却至接近绝对零度。然后，他们用精确校准的激光瞄准这些原子。如果激光的频率正确调整，围绕这些原子的电子将从较低的能量状态跃迁到较高的能量状态，然后再返回，就像老式挂钟的摆锤前后摆动——只是这些原子钟的“滴答”频率超过每秒一万亿次。
这些时钟极其精确。例如，JILA最新的光学原子钟可以检测到即使仅抬起一毫米所带来的微小引力变化。
考夫曼指出：“光学钟已经成为量子物理多个领域中的重要工具，因为它们能够精确控制单个原子——无论是在其位置还是能量状态上。”
然而，这些时钟面临着一个重大限制：量子力学规定，即使是原子级粒子也可以表现出不可预测性，从而在理论上设立了时钟精度的上限。
然而，纠缠可能提供了一种克服这一限制的手段。
蓬松轨道
考夫曼澄清，当两个粒子变得纠缠时，了解一个粒子的情况会自动告知你关于另一个粒子的情况。在实践中，钟中的纠缠原子更像是一个单一的原子而非独立的实体，从而使其行为更可预测。
在这项研究中，研究人员通过移动他们的锶原子，使得它们的电子在远离原子核的轨道中旋转——几乎就像它们由棉花糖状的结构组成。
考夫曼描述道：“这就像一个蓬松的轨道。这个蓬松感使得两个邻近的原子的电子可以相互强烈互动。”
这些配对原子的“滴答”速度也比独立运作的原子快。
团队研究了将单个原子与纠缠的两个、四个和八个原子组合的时钟——实际上是在一个设备中整合了四个以四种不同速率滴答的时钟。
他们观察到，在某些条件下，纠缠的原子在滴答上表现出显著低于传统光学原子钟的的不确定性。
他说：“这表明我们可以在更短的时间内达到相同的精度水平。”
精细控制
团队意识到，仍需进一步的工作。目前，他们的时钟仅能有效运行约3毫秒。超过这个阈值后，原子之间的纠缠开始减弱，导致原子的滴答变得混乱。
尽管如此，考夫曼对该设备的潜力持乐观态度。他的团队用于纠缠原子的方法可能为物理学家所称的“多量子比特门”奠定基础——这是未来量子计算机进行计算所必需的基本操作，这些计算机最终可能在特定任务上超越传统计算机。
考夫曼思考道：“现在的挑战是：我们能否制造出具有特定属性的新时钟设计，这是通过我们对这些系统的卓越控制所创造的？”
