牛津大学物理学家创建量子纠缠的原子钟网络

luyuanhong

牛津大学物理学家创建量子纠缠的原子钟网络

vivian - 2022 年 9 月 9 日 15:40

牛津大学的物理学家首次通过量子纠缠成功地将两个原子钟连接起来。这一壮举有助于使这些时钟变得如此精确，以至于它们开始接近量子力学所设定的基本精度极限。


© 由 cnBeta.COM 提供

原子钟通过测量原子的振动模式来保持时间，而原子的振动模式是非常稳定和可预测的。例如，一个铯-133 原子每秒会精确振荡 9,192,631,770 次，这个数字自 1967 年以来一直被用来正式定义秒，为计时设定国家和国际标准。

但总是有改进的余地。使用可见光和镱等原子的光学原子钟有可能超过铯原子钟，现在牛津大学的物理学家已经证明了如何使它们更加精确。这样做需要利用一种叫做量子纠缠的量子现象。

粒子之间可以变得如此纠缠在一起，以至于测量或改变一个粒子会立即影响其伙伴，无论它们之间的距离有多远。在理论上，这两个粒子可能处于宇宙的两端，但仍然会瞬间影响对方。这个想法曾让爱因斯坦本人感到不安，但几十年来，它已被实验证实。

麻省理工学院的物理学家以前曾利用量子纠缠来提高原子钟的精确度，方法是在一个单一的设备中纠缠一团原子。现在，牛津团队已经将房间对面的两个独立的原子钟相互纠缠在一起。

每个原子钟都包含一个单一的锶离子。一束激光被一分为二，然后每束激光以完全相同的方式被调制，然后被送入每一个原子钟，撞击锶离子。这在离子之间产生了一个量子纠缠链接，尽管它们相距 2 米（6.6 英尺）。最终的结果是得到一个纠缠原子钟的量子网络，它可以被用来比以往更精确地测量时间。研究人员将测量的确定性提高了 2 倍。

事实上，研究小组表示，纠缠的原子钟网络可以超过标准量子极限（SQL），该极限是由于随机量子波动扰乱测量而产生的。除此之外，精度可以开始接近海森堡极限，这是由量子物理学定律本身设定的一条硬线。

然而，这仍然是所使用的特定装置无法达到的，该装置是为量子计算实验设计的。该团队说，一个专门的量子纠缠原子钟网络可以开始探测主要的物理学难题，如基本常数，甚至暗物质。

该研究的作者 Raghavendra Srinivas 博士说：“虽然我们的结果在很大程度上是原则性的证明，而且我们实现的绝对精度比最先进的技术水平低几个数量级，但我们希望这里显示的技术有朝一日可以改进最先进的系统。在某些时候，纠缠将是必需的，因为它提供了一条通往量子理论所允许的终极精度的道路。”

这项研究发表在《自然》杂志上。