科學家利用鍶原子間的量子糾纏實現前所未有的原子鐘精度
量子物理學家開發出一種新型光學原子鐘，利用鍶原子間的量子糾纏實現了前所未有的精確度。這項突破可能會對量子計算和精密感測產生重大影響，儘管它目前的有效運行時間只有幾毫秒。
想像一下，進入一個擺放著幾隻不同老爺鐘的房間，每隻鐘都以自己獨特的節奏滴答作響。
科羅拉多大學博爾德分校和美國國家標準與技術研究院（NIST）的量子物理學家在原子和電子的尺度上有效地重現了這一場景。 他們的突破可能會促進新型光學原子鐘的發展，這種裝置透過捕捉原子的自然”滴答”聲來測量時間。
該研究小組的新型時鐘是由數十個被困在晶格圖案中的鍶原子製成的。 為了提高該裝置的性能，研究小組在這些原子組之間產生了一種幽靈般的相互作用，即量子糾纏–基本上把四種不同的時鐘擠進了同一個計時裝置中。
從左到右依序為Adam Kaufman、Nelson Darkwah Oppong、Alec Cao 和Theo Lukin Yelin 在JILA 檢查原子光學鐘。 圖片來源：Patrick Campbell/CU Boulder
這不是普通的懷錶： 研究人員的研究表明，至少在較小的條件範圍內，他們的時鐘可以超越被稱為”標準量子極限”的精度基準–物理學家亞當-考夫曼（Adam Kaufman ）稱為光學原子鐘的”聖杯”。
這項新研究的資深作者、科羅拉多大學博爾德分校與美國國家標準與技術研究院（NIST）的聯合研究所–JILA的研究員考夫曼說：”我們所能做的就是把相同的時間長度分成越來越小的單位。
該團隊的研究進展可能會帶來新的量子技術。 這些技術包括能夠測量環境微妙變化的感測器，例如地球引力如何隨海拔高度變化。
考夫曼和他的同事們，包括第一作者、JILA的研究生曹亞力克，於10月9日在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果。
研究生Theo Lukin Yelin（左）和Alec Cao（右）透過電腦監控光學原子鐘。 圖片來源：Patrick Campbell／科羅拉多大學博爾德分校
這項研究標誌著光學原子鐘的另一個重大進步。
要製造這種裝置，科學家通常首先要捕獲一團原子並將其冷卻到極冷的溫度。 然後，他們用強力雷射照射這些原子。 如果雷射調整得恰到好處，圍繞這些原子運行的電子就會從較低的能階躍遷到較高的能階，然後再躍遷回來。 想想看，這就像老爺鐘的鐘擺來回擺動–只不過這些鐘每秒滴答作響的次數超過一萬億次。
它們極為精確。 例如，JILA的最新光學原子鐘可以檢測到重力的變化，只要將它們抬起幾毫米。
“光學時鐘已經成為量子物理學許多領域的重要平台，因為它們可以讓你高度控制單個原子–無論是這些原子在哪裡，還是它們處於什麼狀態，”考夫曼說。
但它們也有一個很大的缺點： 在量子物理學中，小到原子，其行為都不會完全符合人們的預期。 這些天然的不確定性為時鐘的精確度設定了一個似乎牢不可破的限制。
不過，糾纏可以提供一種變通辦法。考夫曼解釋說，當兩個粒子發生糾纏時，其中一個粒子的資訊將自動顯示另一個粒子的資訊。 在實踐中，時鐘中糾纏的原子的行為不像個體，而更像單個原子，這使得它們的行為更容易預測。
在目前的研究中，研究人員透過點動鍶原子，使它們的電子遠離原子核運行，從而產生了這種量子聯繫–幾乎就像它們是由棉花糖製成的一樣。
考夫曼說：”這就像一個蓬鬆的軌道。這種蓬鬆度意味著，如果你把兩個原子靠得足夠近，電子就能感覺到彼此就在附近，從而在它們之間產生強烈的相互作用。
研究小組試驗製作了一些時鐘，其中包括單個原子和由兩個、四個和八個原子組成的糾纏原子團，換句話說，四個時鐘以四種速度同時滴答作響。他們發現，至少在某些條件下，糾纏原子在滴答聲中的不確定性比傳統光學原子鐘中的原子小得多。這意味著只需更少的時間就能達到相同的精度。
他和他的同事還有很多工作要做。 首先，研究人員的時鐘只能有效運作約3 毫秒。 超過這個時間，原子之間的糾纏就會開始失效，導致原子滴答聲變得混亂。
不過，考夫曼認為這種裝置大有可為。 例如，他的團隊糾纏原子的方法可以成為物理學家所說的”多量子比特門”的基礎–“多量子比特門”是量子計算機進行計算的基本操作，或者是有朝一日能在某些任務上超越傳統計算機的設備。
“問題是：我們能否透過對這些系統的精妙控制，創造出具有量身定制特性的新型時鐘？” 考夫曼說。
編譯自/ SciTechDaily