从左到右，Adam Kaufman、Nelson Darkwah Oppong、Alec Cao 和 Theo Lukin Yelin 在 JILA 检查原子光钟。图片来源：Patrick Campbell/CU Boulder
想象一下，走进一个房间，墙上挂着几个不同的老爷钟，每个老爷钟都以不同的速度滴答作响。科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院 （NIST） 的量子物理学家基本上在原子和电子的尺度上重建了那个房间。该团队的进步可能为新型光学原子钟铺平道路，这种设备通过测量原子的自然“滴答声”来跟踪时间的流逝。
该小组的新时钟由几十个被困在晶格图案中的锶原子制成。为了提高设备的性能，该团队在这些原子组之间产生了一种称为量子纠缠的幽灵般的相互作用——基本上是将四种不同类型的时钟压缩到同一个计时装置中。
它不是普通的怀表：研究人员表明，至少在狭窄的条件下，他们的时钟可以击败称为“标准量子极限”的精度基准——物理学家亚当·考夫曼 （Adam Kaufman） 将其称为光学原子钟的“圣杯”。
“我们能做的是将相同的时间长度划分成越来越小的单元，”这项新研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校和 NIST 的联合研究机构 JILA 的研究员考夫曼说。“这种加速可以让我们更精确地跟踪时间。”
该团队的进步可能会带来新的量子技术。它们包括可以测量环境细微变化的传感器，例如地球的引力如何随海拔高度变化。
考夫曼和他的同事，包括第一作者、JILA 的研究生 Alec Cao，于 10 月 9 日在《自然》杂志上发表了他们的发现。
套索原子这项研究代表了光学原子钟的另一项重大进步，它的作用远不止告诉时间。
为了制造这样的设备，科学家们通常首先将一团原子捕获并冷却到寒冷的温度。然后他们用强大的激光击中这些原子。如果激光调谐得恰到好处，围绕这些原子运行的电子将从较低的能级跃升到较高的能级，然后再跃升回来。把它想象成一个来回摆动的老爷钟的钟摆——只有这些时钟每秒滴答作响超过 1 万亿次。
他们非常精确。例如，JILA 最新的光学原子钟只要将它们抬高几分之一毫米，就可以检测到重力的变化。
“光钟已成为量子物理学许多领域的重要平台，因为它们允许你在很大程度上控制单个原子——包括这些原子的位置，以及它们所处的状态，”考夫曼说。
但它们也有一个很大的缺点：在量子物理学中，像原子这样小的事物永远不会像你预期的那样表现。这些自然的不确定性为时钟的精确度设定了一个似乎牢不可破的极限。
但是，纠缠可以提供一种解决方法。
研究生 Theo Lukin Yelin（左）和 Alec Cao（右）通过计算机监测光学原子钟。图片来源：Patrick Campbell/CU Boulder
蓬松的眼眶考夫曼解释说，当两个粒子纠缠在一起时，其中一个粒子的信息会自动揭示另一个粒子的信息。在实践中，时钟中纠缠的原子的行为不太像个体，而更像单个原子，这使得它们的行为更容易预测。
在目前的研究中，研究人员通过轻推锶原子来产生这种量子键，使它们的电子轨道远离它们的原子核——几乎就像它们是由棉花糖制成的一样。
“这就像一个蓬松的轨道，”考夫曼说。“这种蓬松性意味着，如果你把两个原子拉得足够近，电子可以感觉到彼此靠近，从而导致它们之间产生强烈的相互作用。”
这些连体对的滴答声速度也比原子本身的更快。
该团队尝试创建时钟，其中包括单个原子和两个、四个和八个原子的纠缠组的组合——换句话说，四个时钟以四种速率滴答作响。
他们发现，至少在某些条件下，纠缠原子的滴答声的不确定性比传统光学原子钟中的原子要小得多。
“这意味着我们花更少的时间就能达到相同的精度水平，”他说。
精妙的控制他和他的同事还有很多工作要做。首先，研究人员只能有效地运行他们的时钟大约 3 毫秒。超过这个时间，原子之间的纠缠开始滑动，导致原子滴答作响变得混乱。
但 Kaufman 看到了该设备的巨大潜力。例如，他的团队处理原子纠缠的方法可以构成物理学家所说的“多量子比特门”的基础，即在量子计算机中执行计算的基本操作，或者有朝一日在某些任务上可能胜过传统计算机的设备。
“问题是：我们能否通过这些系统中的精细控制来创造具有定制属性的新型时钟？”考夫曼说。
更多信息：Adam Kaufman 等人，光钟中的多量子比特门和薛定谔猫状态，Nature （2024）。DOI：10.1038/s41586-024-07913-z。www.nature.com/articles/s41586-024-07913-z
期刊信息： Nature
