原子鐘是世界上最精確的計時儀器，可使用激光測量以恒定頻率振動的原子，就像許多同步擺動的微小鐘擺一樣。世界上最好的原子鐘可以非常精確地計時，如果它們從宇宙誕生之初就開始運行，到今天誤差只有約半秒。

最近，美國麻省理工學院(MIT)物理學家設計的一種新型原子鐘可能會揭示新的物理學特性，它不僅能準確計時，還能幫助破譯宇宙中的信號，如暗物質(zhì)和引力波。研究人員在12月16日發(fā)表于《自然》的一項報告中說，他們已經(jīng)建造了一個原子鐘，其測量的不是現(xiàn)在最先進的隨機振動的原子云，而是被量子糾纏的原子。原子以一種不可能根據(jù)經(jīng)典物理定律的方式相互關聯(lián)，這使得科學家能夠更精確地測量原子的振動。

在沒有糾纏的情況下，這種新裝置能以比時鐘快4倍的速度達到同樣的精度。

“糾纏增強光學原子鐘有可能在1秒內(nèi)達到比目前最先進的光學鐘更高的精度。”該研究主要作者、MIT電子研究實驗室的博士后Edwin Pedrozo-Penafiel說。

如果最先進的原子鐘能像MIT團隊的裝置那樣用于測量糾纏原子，它們的計時將會改進，這樣，對于整個宇宙的年齡，時鐘的誤差將不超100毫秒。

為了精確計時，理想情況下原子鐘會追蹤單個原子的振蕩。但原子是如此之小，其行為取決于量子力學的神秘規(guī)則：在測量時，其行為就像拋硬幣，只有在多次拋擲平均后才能給出正確的概率。這個極限就是物理學家所說的標準量子極限。“當增加原子的數(shù)量時，所有原子給出的平均值都趨向于給出正確的值。”該文章共同作者 Simone Colombo說。

這就是為什么今天的原子鐘被用來測量由數(shù)千種相同類型的原子組成的氣體，以得到它們的平均振蕩估計數(shù)。典型的原子鐘是這樣做的：首先使用一套激光系統(tǒng)將一團超高密度原子的氣體困在一個由激光形成的陷阱里。第二束非常穩(wěn)定的激光，頻率接近于原子的振動頻率，用來探測原子的振動，從而記錄時間。

然而，標準量子極限仍在發(fā)揮作用，這意味著，即使在成千上萬個原子中，關于它們的確切單個頻率仍然存在一些不確定性。這就是Vladan Vuletic和團隊證明量子糾纏可能有幫助的地方。一般來說，量子糾纏描述的是一種非經(jīng)典物理狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一組原子顯示出相關的測量結(jié)果，盡管每個原子的行為就像隨機拋硬幣一樣。

研究小組推斷，如果原子被糾纏，它們各自的振蕩將在一個共同頻率附近收緊，與沒有糾纏的情況相比，偏差更小。因此，原子鐘測量的平均振蕩，其精度將超過標準量子極限。

在新原子鐘中，Vuletic和合作者讓350個鐿原子纏繞，這些鐿原子以可見光的高頻率振動，這意味著任何一個原子在1秒內(nèi)振動的頻率都比銫高10萬倍。如果鐿的振蕩可以被精確追蹤，科學家就可以用原子區(qū)分更小的時間間隔。

該小組使用標準技術來冷卻原子，并將它們困在由兩個鏡子組成的光學腔中。然后，他們通過光學腔發(fā)射一束激光，激光在反射鏡之間來回碰撞，與原子發(fā)生了數(shù)千次的相互作用。

“這就像把光充當了原子之間的通訊紐帶。”共同作者Chi Shu解釋說，“第一個看到這束光的原子會輕微地改變這束光，這束光也會改變第二個原子、第三個原子，經(jīng)過許多個周期，原子集體地認識彼此，并開始有相似的行為。”

通過這種方式，研究人員將原子進行量子纏繞，然后使用另一種類似于現(xiàn)有原子鐘的激光來測量它們的平均頻率。當研究小組在沒有原子糾纏的情況下進行類似的實驗時，他們發(fā)現(xiàn)有糾纏原子的原子鐘達到預期精度的速度要快4倍。(馮維維)