科学家利用锶原子间的量子纠缠实现前所未有的原子钟精度

想象一下，进入一个摆放着几只不同老爷钟的房间，每只钟都以自己独特的节奏滴答作响。

科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）的量子物理学家在原子和电子的尺度上有效地重现了这一场景。 他们的突破可能会促进新型光学原子钟的发展，这种装置通过捕捉原子的自然"滴答"声来测量时间。

该研究小组的新型时钟是由几十个被困在晶格图案中的锶原子制成的。 为了提高该装置的性能，研究小组在这些原子组之间产生了一种幽灵般的相互作用，即量子纠缠--基本上把四种不同的时钟挤进了同一个计时装置中。

从左到右依次为 Adam Kaufman、Nelson Darkwah Oppong、Alec Cao 和 Theo Lukin Yelin 在 JILA 检查原子光学钟。 图片来源：Patrick Campbell/CU Boulder

这不是普通的怀表： 研究人员的研究表明，至少在较小的条件范围内，他们的时钟可以超越被称为"标准量子极限"的精度基准--物理学家亚当-考夫曼（Adam Kaufman）称之为光学原子钟的"圣杯"。

这项新研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合研究所--JILA的研究员考夫曼说："我们所能做的就是把相同的时间长度分成越来越小的单位。这种加速度可以让我们更精确地追踪时间。"

该团队的研究进展可能会带来新的量子技术。 这些技术包括能够测量环境微妙变化的传感器，例如地球引力如何随海拔高度变化。

考夫曼和他的同事们，包括第一作者、JILA的研究生曹亚力克，于10月9日在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。

研究生 Theo Lukin Yelin（左）和 Alec Cao（右）通过计算机监控光学原子钟。 图片来源：Patrick Campbell/科罗拉多大学博尔德分校

这项研究标志着光学原子钟的又一重大进步。

要制造这种装置，科学家通常首先要捕获一团原子并将其冷却到极冷的温度。 然后，他们用强力激光照射这些原子。 如果激光调整得恰到好处，围绕这些原子运行的电子就会从较低的能级跃迁到较高的能级，然后再跃迁回来。 想想看，这就像老爷钟的钟摆来回摆动--只不过这些钟每秒滴答作响的次数超过一万亿次。

它们极其精确。 例如，JILA的最新光学原子钟可以检测到重力的变化，只要将它们抬起几毫米。

"光学时钟已经成为量子物理学许多领域的重要平台，因为它们可以让你高度控制单个原子--无论是这些原子在哪里，还是它们处于什么状态，"考夫曼说。

但它们也有一个很大的缺点： 在量子物理学中，小到原子，其行为都不会完全符合人们的预期。 这些天然的不确定性为时钟的精确度设定了一个似乎牢不可破的限制。

不过，纠缠可以提供一种变通办法。考夫曼解释说，当两个粒子发生纠缠时，其中一个粒子的信息将自动显示另一个粒子的信息。 在实践中，时钟中纠缠的原子的行为不像个体，而更像单个原子，这使得它们的行为更容易预测。

在目前的研究中，研究人员通过点动锶原子，使它们的电子远离原子核运行，从而产生了这种量子联系--几乎就像它们是由棉花糖制成的一样。

考夫曼说："这就像一个蓬松的轨道。这种蓬松度意味着，如果你把两个原子靠得足够近，电子就能感觉到彼此就在附近，从而在它们之间产生强烈的相互作用。这些连体原子对的滴答声也比单独原子的滴答声更快。"

研究小组试验制作了一些时钟，其中包括单个原子和由两个、四个和八个原子组成的纠缠原子团，换句话说，四个时钟以四种速度同时滴答作响。他们发现，至少在某些条件下，纠缠原子在滴答声中的不确定性要比传统光学原子钟中的原子小得多。这意味着只需更少的时间就能达到同样的精度水平。

他和他的同事还有很多工作要做。 首先，研究人员的时钟只能有效运行约 3 毫秒。 超过这个时间，原子之间的纠缠就会开始失效，导致原子滴答声变得混乱。

不过，考夫曼认为这种装置大有可为。 例如，他的团队纠缠原子的方法可以成为物理学家所说的"多量子比特门"的基础--"多量子比特门"是量子计算机进行计算的基本操作，或者是有朝一日能在某些任务上超越传统计算机的设备。

"问题是：我们能否通过对这些系统的精妙控制，创造出具有量身定制特性的新型时钟？ "考夫曼说。

编译自/SciTechDaily

DOI: 10.1038/s41586-024-07913-z