更穩定的時鐘可以測量量子現象，包括暗物質的存在。計時的實踐依賴於穩定的振盪。在老爺鐘中，一秒的長度由鐘擺的一次擺動來標記。在數位手錶中，石英晶體的振動標記的時間分數要小得多。而在世界上最先進的計時設備–原子鐘中，雷射光束的振盪刺激原子以每秒92 億次的頻率振動。這些最小、最穩定的時間分段為今天的衛星通訊、全球定位系統和金融市場提供了精確計時。

根據麻省理工學院的一項新研究，時鐘、雷射和其他振盪器可以調整到超量子精度，從而使研究人員能夠追蹤時間上無限微小的差異。圖片來源：麻省理工學院新聞

時鐘的穩定性取決於其所處環境的噪音。一陣微風就會使鐘擺的擺動失去同步。熱量也會擾亂原子鐘中原子的振盪。消除這些環境影響可以提高時鐘的精確度。但也僅此而已。

麻省理工學院的一項新研究發現，即使消除了來自外界的所有噪聲，時鐘、雷射光束和其他振盪器的穩定性仍然容易受到量子力學效應的影響。振盪器的精度最終將受到量子雜訊的限制。

但理論上，有一種方法可以突破這個量子限制。在他們的研究中，研究人員還表明，透過操縱或”擠壓”造成量子雜訊的狀態，振盪器的穩定性可以得到改善，甚至突破其量子極限。

麻省理工學院機械工程系助理教授維維謝克-蘇迪爾（Vivishek Sudhir）說：”我們所展示的是，激光和時鐘等振盪器的穩定性實際上是有極限的，這個極限不僅是由它們所處的環境設定的，也是量子力學迫使它們左右晃動的事實設定的。然後，我們已經證明，你甚至有辦法繞過量子力學的晃動。但你必須更聰明，而不僅僅是把它與環境隔離開來，必須玩弄量子態本身。”

研究小組正在對他們的理論進行實驗測試。如果他們能證明可以操縱振盪系統中的量子態，研究人員設想可以將時鐘、雷射和其他振盪器調整到超量子精度。然後，這些系統就可以用來追蹤時間上無限微小的差異，例如量子電腦中單一量子位元的波動，或是在偵測器之間閃爍的暗物質粒子的存在。

麻省理工學院物理系研究生哈德森-拉夫林（Hudson Loughlin）說：”我們計劃在未來幾年內展示幾種具有量子增強計時能力的雷射。我們希望，我們最近的理論發展和即將進行的實驗將推進我們精確計時的基本能力，並實現新的革命性技術。”

Loughlin 和Sudhir 在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上發表的一篇開放存取論文中詳細介紹了他們的工作。

雷射精度

在研究振盪器的穩定性時，研究人員首先研究了雷射–一種能產生高度同步光子的波狀光束的光學振盪器。雷射的發明主要歸功於物理學家阿瑟-肖洛（Arthur Schawlow）和查爾斯-湯斯（Charles Townes）。

雷射的設計以”發光介質”為中心，”發光介質”是原子的集合，通常鑲嵌在玻璃或晶體中。在最早的雷射中，圍繞著發光介質的閃光燈管會刺激原子中的電子躍升能量。當電子放鬆回到較低能量時，就會以光子的形式發出一些輻射。照明介質兩端的兩面鏡子會將發出的光子反射回原子中，從而激發更多的電子，產生更多的光子。其中一面鏡子與雷射介質一起充當”放大器”，促進光子的產生，而第二面鏡子部分透射，充當”耦合器”，將一些光子提取出來，形成一束集中的雷射。

自從雷射發明以來，Schawlow 和Townes 提出了一個假設，即雷射的穩定性應受到量子雜訊的限制。此後，其他人透過模擬雷射的微觀特徵來驗證他們的假設。透過非常具體的計算，他們表明，雷射光子和原子之間難以察覺的量子相互作用確實會限制其振蕩的穩定性。

Sudhir指出：”但這項工作必須進行極其細緻、微妙的計算，這樣才能理解這種限制，但僅限於特定種類的激光。我們希望極大地簡化這一過程，以了解激光器和各種振盪器。 “

“施加壓力”

研究小組並沒有把重點放在雷射錯綜複雜的物理特性上，而是致力於簡化問題。

“Sudhir 解釋說：”當電氣工程師考慮製造振盪器時，他們會使用一個放大器，然後將放大器的輸出饋入自己的輸入端。這就像蛇吃自己的尾巴。這是一種極為自由的思考方式。你不需要了解雷射的細枝末節。取而代之的是抽象的圖景，不僅是雷射的圖景，也是所有振盪器的圖景。”

在他們的研究中，研究小組繪製了一幅類似雷射振盪器的簡化圖。他們的模型由一個放大器（如雷射的原子）、一條延遲線（例如，光在雷射反射鏡之間傳播所需的時間）和一個耦合器（如部分反射鏡）組成。

研究小組隨後寫下了描述系統行為的物理方程，並進行了計算，以了解量子雜訊會在系統的哪個位置出現。

“透過將這個問題抽象化為一個簡單的振盪器，我們可以精確定位量子波動進入系統的位置，它們來自兩個地方：放大器和使我們能夠從振盪器中獲得訊號的耦合器，」Loughlin 說。”如果我們知道了這兩點，我們就知道了這個振盪器穩定性的量子極限是多少”。

科學家可以利用他們在研究中列出的方程式來計算自己振盪器的量子極限。更重要的是，研究小組證明，如果可以”擠壓”兩個訊號源之一的量子噪聲，就有可能克服這個量子極限。量子擠壓是指以成比例地增加系統某一方面的量子波動為代價，使其最小化。這種效果類似於將氣球中的空氣從一部分擠入另一部分。

在雷射器中，研究團隊發現，如果耦合器中的量子波動被擠壓，就能提高輸出雷射光束的精度或振盪時間，即使雷射功率中的雜訊會因此增加。

「當你發現某種量子力學極限時，總是會有這樣一個問題：這種極限的可塑性有多大？」Sudhir 說。「它真的是一個硬性的限制嗎，或者說，透過操縱量子力學，你是否還能提取出一些果汁？在這種情況下，我們發現是有的，這是一個適用於一大類振盪器的結果。”