麻省理工学院朱棣文教授 信用:Pixabay/CC0公共域 原子钟是世界上最精确的计时器
这些精致的仪器使用激光来测量原子的振动，原子以恒定的频率振荡，就像许多微小的摆锤同步摆动一样
世界上最好的原子钟计时非常精确，如果它们从宇宙诞生之初就开始运行，今天它们只差半秒左右
不过，它们可能更精确
如果原子钟能够更精确地测量原子振动，它们将足够灵敏，能够探测到暗物质和引力波等现象
有了更好的原子钟，科学家们也可以开始回答一些令人困惑的问题，比如重力对时间的流逝会有什么影响，以及时间本身是否会随着宇宙的老化而改变
现在，麻省理工学院物理学家设计的一种新型原子钟可能会让科学家们探索这些问题，并有可能揭示新的物理现象
研究人员在《自然》杂志上报告说，他们已经建造了一个原子钟，它测量的不是现在最先进的设计测量的随机振荡原子云，而是量子纠缠的原子
根据经典物理定律，原子是以一种不可能的方式相互关联的，这使得科学家能够更精确地测量原子的振动
新的设置可以达到相同的精度，比没有纠缠的时钟快四倍
“纠缠增强的光学原子钟将有可能在一秒钟内达到比目前最先进的光学原子钟更高的精度，”主要作者埃德温·佩德罗佐-培纳菲尔说，他是麻省理工学院电子研究实验室的博士后
如果最先进的原子钟能像麻省理工学院的研究小组那样测量纠缠原子，它们的计时会有所改进，这样，在整个宇宙时代，原子钟将会相差不到100毫秒
该论文的其他合著者来自麻省理工学院，他们是西蒙·科伦坡、、阿尔伯特·阿迪雅图林、、恩里克·门德斯、鲍里斯·布雷弗曼、川崎明夫、赤松斋、·肖和莱斯特·沃尔夫物理学教授弗拉丹·武莱蒂奇
期限 自从人类开始追踪时间的流逝，他们就利用周期性现象来追踪，例如太阳在天空的运动
今天，原子的振动是科学家能观察到的最稳定的周期性事件
此外，一个铯原子将以与另一个铯原子完全相同的频率振荡
为了保持完美的时间，时钟将理想地跟踪单个原子的振荡
但在这个尺度下，原子是如此之小，以至于它的行为符合量子力学的神秘规则:当被测量时，它的行为就像一枚被翻转的硬币，只有在多次翻转平均后才能给出正确的概率
这种限制被物理学家称为标准量子极限
科伦坡说:“当你增加原子的数量时，所有这些原子给出的平均值都趋向于给出正确值的东西。”
这就是为什么今天的原子钟被设计用来测量由成千上万个相同类型的原子组成的气体，以便估算它们的平均振荡
一个典型的原子钟是这样做的:首先使用一个激光系统将超冷的原子气体捕获到一个由激光形成的陷阱中
第二个非常稳定的激光，其频率接近原子振动的频率，被用来探测原子振动，从而记录时间
然而，标准量子极限仍然在起作用，这意味着关于它们精确的单个频率，仍然存在一些不确定性，即使是在成千上万的原子中
这就是Vuletic和他的团队证明量子纠缠可能有所帮助的地方
一般来说，量子纠缠描述了一种非经典的物理状态，在这种状态下，一组原子显示出相关的测量结果，即使每个原子的行为就像随机扔硬币一样
研究小组推断，如果原子纠缠在一起，它们各自的振荡会在一个共同的频率附近加强，与没有纠缠的情况相比，偏差会更小
因此，原子钟测量的平均振荡的精度将超过标准量子极限
纠缠时钟 在他们的新原子钟中，维莱蒂奇和他的同事们缠绕了大约350个镱原子，镱原子以与可见光相同的非常高的频率振荡，这意味着任何一个原子在一秒钟内的振动频率是铯的100，000倍
如果镱的振荡可以被精确跟踪，科学家们可以用原子来区分更小的时间间隔
该小组使用标准技术来冷却原子，并将它们捕获在由两个镜子形成的光学腔中
然后，他们通过光学腔发射激光，激光在反射镜之间来回穿梭，与原子进行数千次相互作用
舒解释说:“这就像光是原子之间的通讯纽带。”
“看到这种光的第一个原子会轻微地改变光，而这种光也会改变第二个原子和第三个原子，经过许多次循环，这些原子相互认识，并开始表现相似
" 通过这种方式，研究人员将原子量子缠结，然后使用另一种类似于现有原子钟的激光来测量它们的平均频率
当研究小组在没有原子纠缠的情况下进行类似的实验时，他们发现原子纠缠的原子钟达到预期精度的速度要快四倍
“你总是可以通过测量更长的时间来使时钟更精确，”维莱蒂奇说
“问题是，你需要多长时间才能达到一定的精度
许多现象需要用快速的时间尺度来衡量
" 他说，如果今天最先进的原子钟能被用来测量量子纠缠的原子，它们不仅能保持更好的时间，还能帮助破译宇宙中的信号，如暗物质和引力波，并开始回答一些古老的问题
“随着宇宙的老化，光速会改变吗？电子的电荷会改变吗？”Vuletic说
“这就是你能用更精确的原子钟探测的东西
"
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