新型原子鐘能運行140億年誤差不到0.1秒
2020-12-18

　　據國外媒體報道，目前，美國專家最新設計出一種新型原子鐘，它非常精確，如果讓它持續運行140億年（相當于當前宇宙的年齡），其誤差竟然不到0.1秒。

　　他們利用一種叫做量子糾纏的奇特現象，在該現象中粒子會緊密地連接在一起。研究人員解釋稱，量子糾纏有助于減少原子振蕩時產生的不確定性，能夠精準計時。

　　原子鐘可以揭曉構成宇宙四分之三以上難以捉摸的“暗物質”，也可以用于研究引力對時間的影響。該論文作者、美國麻省理工學院電子工程師愛德溫·佩德羅佐·佩那菲爾說：“與目前最先進的光學時鐘相比，量子糾纏增強光學原子鐘有可能在1秒內達到更高精度?！?/p>

　　就像落地式大擺鐘利用擺錘的擺動進行計時一樣，原子鐘利用激光來測量原子云的有規律振動，這是科學家目前可以觀測到最穩定的周期性事件。

　　在理想情況下，人們可以利用單個原子的運動進行計時，然而在原子尺度上，量子力學的奇特規則開始發揮作用，同時該測量結果受統計概率影響，必須取平均數值才能產生可靠的數據。

　　該論文合著作者、美國麻省理工學院物理學家西蒙尼·科倫坡解釋稱，當增加原子數量時，所有這些原子的平均值都趨向于正確值。

　　當前原子鐘能測量數千個超冷原子，使用激光將它們聚集在“光學陷阱”中，然后用另一種頻率與被測原子振動頻率相似的激光探測它們。

　　然而，即使是這種方法也存在一定程度的量子不確定性，但正如研究小組所展示的那樣，其中一些問題可以通過量子糾纏消除，通過量子糾纏，可獲得一組原子的相關測量結果。

　　新型原子鐘可用于揭曉難以捉摸的“暗物質”，這些暗物質被認為構成了宇宙的四分之三以上，并且可用于研究引力對時間的影響。

　　研究人員解釋稱，這意味著糾纏原子的單個振蕩在一個共同頻率附近收緊，從而提高了時鐘測量的精度。在他們的最新時鐘設計中，佩那菲爾和同事將大約350個鐿原子（稀土元素）糾纏在一起，鐿原子每秒振蕩10萬次，比鈀原子（傳統原子鐘中使用的元素）的振蕩頻率更高，這一事實意味著，如果原子振蕩跟蹤準確的話，這種新型時鐘甚至可以分辨出更短暫時間范圍的差異。

　　像普通原子鐘一樣，研究小組將原子困在兩個鏡面包圍的光學振腔中，然后發射激光穿過光學振腔，使激光在兩個鏡面之間反彈，反復與原子相互作用并使它們糾纏在一起。

　　麻省理工學院物理學家遲舒（音譯）說：“這就好像光充當原子之間的通訊紐帶，看到光的第一個原子能輕微地改變這束光，這束光也會改變第二個原子、第三個原子，經過許多個周期，原子集體相互了解，并開始表現出類似的行為特征?！?/p>

　　然后，研究小組使用另一種激光測量原子的平均頻率，與現有原子鐘所用方法類似，研究小組發現，這種量子糾纏使時鐘以4倍速度達到預期精度。

　　麻省理工學院物理學家弗拉丹·魯雷蒂克說：“我們可以通過測量更長時間來使時鐘更加精確，問題在于你需要多長時間才能達到一定精度，許多現象需要用快速的時間尺度來衡量。最新時鐘的設計可以用于更好地解決宇宙中各種未解之謎，隨著宇宙年齡的增長，光的速度會改變嗎？電荷會改變嗎？你可以用更精確的原子鐘進行探測?！蹦壳?，這項研究報告發表在近期出版的《自然》雜志上。