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用纠缠原子,追寻时间极限

时间:2020-12-25 12:45:50 点击:

  核心提示:麻省理工学院的物理学家设计了一种新型的原子钟,将原子钟的精确性实现了进一步的提高。 从人类开始追踪时间的流逝起,就会凭借一些周期性的现象来标记时间,例如太阳在天空的运动。在这些事件中,原子的振荡...
麻省理工学院的物理学家设计了一种新型的原子钟,将原子钟的精确性实现了进一步的提高。

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从人类开始追踪时间的流逝起,就会凭借一些周期性的现象来标记时间,例如太阳在天空的运动。在这些事件中,原子的振荡是科学家目前所能观测到的最稳定周期性事件。而原子钟也是目前世界上最精确的计时仪器。


原子钟通常会使用激光来测量原子的振荡。以恒定的频率振荡的原子,就好像是许多同步振荡的微型单摆一样。目前,世界上最好的原子钟能以极高的精确度追踪时间,如果它从宇宙诞生之初就开始运行,那么累计到今天,它的误差也只有大约半秒而已。


然而,对于许多科学家来说,他们希望这一精确度还能继续高。拥有更加精确的原子钟具有十分重要的科学意义,它们能帮助探索更多令人费解的问题,比如引力对时间流逝有什么影响?时间和光速是否会随着宇宙年龄的增长而变化?……


若要获得更加精确的原子钟,科学家需要能够更准确地测量原子的振荡,现在,麻省理工学院的物理学家设计了一种新型的原子钟,将原子钟的精确性实现了进一步的提高。这一新的研究成果被发表在了近期的《自然》杂志上。


为了精确计时,理想的原子钟应该能准确地追踪每个原子的振荡。但在原子级别的微观尺度下,原子的行为取决于量子力学中的那些神秘定律:当对它进行测量时,其行为就像是抛掷一枚硬币,只有在多次抛掷再取平均数后,才能得出正确的概率。这个极限就是物理学家所说的标准量子极限。当原子的数量越多,得出的平均值就越趋向于正确的值。


这也是为什么现在的最先进的原子钟所测量的,都是随机振荡的原子云。这些原子钟被设计来对由数千种相同类型的原子组成的气体进行测量,以便能更好地对它们的平均振荡进行估算。一般来说,典型的原子钟是这样做的:首先用一套激光系统将一团超高密度的原子气体困在一个由激光形成的阱中;再发射另一束非常稳定的、频率与原子的振荡频率相近的激光,以探测原子的振荡,记录时间。


然而,标准量子极限仍然存在,这意味着无论有多少个原子,关于每个单个原子的频率仍存在一些不确定性。而这正是量子纠缠或许能够解决的问题。研究人员认为,如果原子处于纠缠状态,那么它们各自的振荡将会收敛到一个共同的频率附近,这与没有纠缠的情况相比,偏差会更小。因此,这样的原子钟所测量的平均振荡,其精度将能超越标准量子极限。


在新的研究中,研究人员建造的原子钟测量的是量子纠缠的原子。量子纠缠描述的是一种非经典的物理状态,在这种状态下,不同的原子可以显示出相关的测量结果。


在实验中,研究人员大约让350(±40)个镱原子实现了相互纠缠。这些原子的振荡频率非常高,如果它们的振荡可以被精确地捕捉,那么它们就可被用来对更小的时间间隔进行区分。


在实验过程中,研究人员先将原子冷却到接近绝对零度的温度。这些原子被困在由两面镜子构成的光学腔中。他们向光学腔中发射一束压缩激光,这束在反射镜之间来回碰撞的光会与原子发生成千上万次的相互作用。如此一来,这束光就像是原子与原子之间的“通讯”纽带,第一个与这束光相遇的原子会对它产生轻微的改变;接着,它会与第二个、第三个原子相互作用……经过许多个周期之后,这些原子就会集体地彼此“认识”,并开始表现出相似的行为。


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原子被困在由两面镜子组成的光学腔中,当一束激光通过光学腔时,会使原子发生纠缠;然后第二束激光可充当原子钟的作用,对纠缠原子的频率进行测量。| 图片来源:Pedrozo-Peñafiel et. al. / Natur


经过这个过程之后,这些原子就被“量子纠缠”了。然后,另一束激光会被用来充当原子钟的功能,对原子的平均频率进行测量。


为了测试新原子钟的效率,研究人员在不涉及量子纠缠的情况下进行了类似的实验。他们发现,涉及纠缠原子的原子钟,能以4倍速度达到不涉及纠缠原子的原子钟的相同精度。


研究人员表示,如果现在最先进的原子钟能够像新研究中的那样做到测量纠缠的原子,那么它们的计时精确性将能得到很大的提升,在追踪整个宇宙的年龄时,误差将不超过100毫秒。并且除了能更加准确地计时之外,这样的原子钟还能帮助科学家破译深藏于宇宙中的许多奥秘,比如暗物质和引力波,让科学家得以探索一些古老的大问题,从而有望揭示新的物理学。


作者:不详 来源:网络
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