新型原子钟：若持续运行 140 亿年，误差不到 0.1 秒

据国外媒体报道，目前，美国专家最新设计出一种新型原子钟，它非常精确，如果让它持续运行 140 亿年（相当于当前宇宙的年龄），其误差竟然不到 0.1 秒。

他们利用一种叫做量子纠缠的奇特现象，在该现象中粒子会紧密地连接在一起。研究人员解释称，量子纠缠有助于减少原子振荡时产生的不确定性，能够精准计时。

原子钟可以揭晓构成宇宙四分之三以上难以捉摸的 “暗物质”，也可以用于研究引力对时间的影响。该论文作者、美国麻省理工学院电子工程师爱德温 · 佩德罗佐 · 佩那菲尔说：“与目前最先进的光学时钟相比，量子纠缠增强光学原子钟有可能在 1 秒内达到更高精度。”

就像落地式大摆钟利用摆锤的摆动进行计时一样，原子钟利用激光来测量原子云的有规律振动，这是科学家目前可以观测到最稳定的周期性事件。

在理想情况下，人们可以利用单个原子的运动进行计时，然而在原子尺度上，量子力学的奇特规则开始发挥作用，同时该测量结果受统计概率影响，必须取平均数值才能产生可靠的数据。

该论文合著作者、美国麻省理工学院物理学家西蒙尼 · 科伦坡解释称，当增加原子数量时，所有这些原子的平均值都趋向于正确值。

当前原子钟能测量数千个超冷原子，使用激光将它们聚集在 “光学陷阱”中，然后用另一种频率与被测原子振动频率相似的激光探测它们。

然而，即使是这种方法也存在一定程度的量子不确定性，但正如研究小组所展示的那样，其中一些问题可以通过量子纠缠消除，通过量子纠缠，可获得一组原子的相关测量结果。

研究人员解释称，这意味着纠缠原子的单个振荡在一个共同频率附近收紧，从而提高了时钟测量的精度。在他们的最新时钟设计中，佩那菲尔和同事将大约 350 个镱原子（稀土元素）纠缠在一起，镱原子每秒振荡 10 万次，比钯原子（传统原子钟中使用的元素）的振荡频率更高，这一事实意味着，如果原子振荡跟踪准确的话，这种新型时钟甚至可以分辨出更短暂时间范围的差异。

像普通原子钟一样，研究小组将原子困在两个镜面包围的光学振腔中，然后发射激光穿过光学振腔，使激光在两个镜面之间反弹，反复与原子相互作用并使它们纠缠在一起。

麻省理工学院物理学家迟舒（音译）说：“这就好像光充当原子之间的通讯纽带，看到光的第一个原子能轻微地改变这束光，这束光也会改变第二个原子、第三个原子，经过许多个周期，原子集体相互了解，并开始表现出类似的行为特征。”

然后，研究小组使用另一种激光测量原子的平均频率，与现有原子钟所用方法类似，研究小组发现，这种量子纠缠使时钟以 4 倍速度达到预期精度。

麻省理工学院物理学家弗拉丹 · 鲁雷蒂克说：“我们可以通过测量更长时间来使时钟更加精确，问题在于你需要多长时间才能达到一定精度，许多现象需要用快速的时间尺度来衡量。最新时钟的设计可以用于更好地解决宇宙中各种未解之谜，随着宇宙年龄的增长，光的速度会改变吗？电荷会改变吗？你可以用更精确的原子钟进行探测。”目前，这项研究报告发表在近期出版的《自然》杂志上。

责任编辑：PSY