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原子以如此精確可靠的模式振動,以至於你可以根據它們來設置手表–這正是原子鐘的作用。這些時計使用激光來測量這些振蕩,得出的時間精確到足以制定國傢和國際標準。例如,銫133的共振頻率為9,192,631,770Hz,而且非常穩定,自1968年以來,這種模式已正式定義瞭秒。

現在,麻省理工學院的一個物理學傢團隊設計出瞭一種新型的原子鐘,它可以進一步推動精度的極限。理想情況下,跟蹤單個原子的振動應該能最精確地保持時間,但不幸的是,隨機的量子波動會使測量結果混亂。這就是所謂的標準量子極限。

因此,量子鐘通常會追蹤一種由數千個相同類型的原子組成的氣體–傳統上是銫,盡管近年來鐿正在成為新的領跑者。這些原子幾乎被冷卻到絕對零度,然後用激光器固定在原地,同時另一個激光器測量它們的振蕩。通過取許多原子的平均值,可以得出更準確的答案。

不幸的是,標準量子極限的影響可能會減少,但不能完全消除。麻省理工學院團隊的新原子鐘進一步降低瞭影響,這要歸功於量子糾纏。這聽起來不可能,但在某些情況下,原子可以變得如此糾纏,以至於測量其中一個原子的狀態可以瞬間改變其伴侶的狀態–無論它們相隔多遠。這就是所謂的量子糾纏,新的時鐘利用這種現象實現瞭更高精度的計時。

研究人員從大約350個鐿-171原子開始,這種原子的振蕩速度甚至比銫還要快。這些原子被困在兩個鏡子之間的光腔中,然後用激光照射到光腔中,使原子發生量子糾纏。

“這就像光作為原子之間的溝通紐帶,”該研究的共同作者Chi Shu說。“第一個原子看到這道光,會稍微修改一下光,這道光也會修改第二個原子,第三個原子,通過許多循環,原子們共同認識對方,並開始表現得相似。”

一旦原子被糾纏在一起,第二道激光就會照射到雲層中,測量它們的平均頻率。研究小組發現,這種方法創建的時鐘可以達到特定的精度,比使用非糾纏原子的類似時鐘快四倍。

研究人員表示,這種方法可以使原子鐘變得如此精確,以至於在整個宇宙時代之後,它們仍然會有不到100毫秒的不同步。另外,它們還可以幫助科學傢研究一些物理學中最大的未解問題,比如暗物質、引力波,以及物理學規則是否會隨著時間而改變。

“隨著宇宙的老化,光速是否會發生變化?”該研究的共同作者Vladan Vuletic說。"電子的電荷是否會發生變化?這是你可以用更精確的原子鐘來探究的。"

這項研究發表在《自然》雜志上。

Source: m.cnbeta.com