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所有時鐘都通過計算某一參考頻率的振蕩次數(shù)來量化時間流逝。古老的鐘擺在穩(wěn)定擺動中計時,現(xiàn)代數(shù)字時鐘則利用通電石英晶體的振動。振蕩的穩(wěn)定性直接關(guān)乎計時的準(zhǔn)確度。比如,鐘擺難以避免明顯偏差,而石英的振動可靠許多,因此石英鐘精度更高。
光學(xué)原子鐘是迄今為止人類造出的最精密計時裝置,也是仍在不斷演進(jìn)的前沿科學(xué)成果。它是如何運作的?具體來說:
操控者會先用一束超穩(wěn)激光“探測”原子;激光頻率事先被調(diào)諧至原子固有的躍遷頻率附近,但二者只是接近,尚未完全匹配。假如激光頻率能精準(zhǔn)“鎖定”原子躍遷頻率,電子就會被激發(fā)至更高能級。(普朗克常數(shù)與躍遷頻率的乘積 = 高能級與低能級之差。)
為求鎖定,必須反復(fù)進(jìn)行光學(xué)探測。最終,原子鐘實現(xiàn)了激光與原子的同頻共振,光頻率穩(wěn)定于原子的躍遷線。
由此,時鐘可對這一穩(wěn)定光場的振蕩作計數(shù)——多次重復(fù)測量并取平均值以求抑制噪聲。(每一次測得的頻率都不完全一樣,而頻率測量值的隨機波動意味著噪聲。)
若用一句話概括上述工作原理,那就是:光學(xué)原子鐘通過數(shù)原子的振蕩次數(shù)來計時。
由此可知,對測量者而言,原子的躍遷頻率波動越小,振蕩越穩(wěn)定,噪聲就越小,鐘就越準(zhǔn)。
由于躍遷頻率的變動微乎其微(可以認(rèn)為噪聲微乎其微),測量平均值所達(dá)到的精度令人驚嘆。當(dāng)然,相關(guān)研究者并不驚訝,反而略帶不滿:現(xiàn)有成績距離基礎(chǔ)物理實驗與量子尺度效應(yīng)測量所需的精度水平,仍有提升空間。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的專家凱·迪茨(Kai Dietze)就很想進(jìn)一步提高原子鐘精度。
2026年2月,迪茨與同事于《物理評論快報》(
Physical Review Letters) 撰文稱,他們利用量子糾纏使原子鐘的計時穩(wěn)定性更上層樓。研究思路是這樣的:
當(dāng)兩個粒子發(fā)生糾纏時,其中一個粒子的狀態(tài)與另一個的存有內(nèi)在關(guān)聯(lián),換言之,這對粒子會表現(xiàn)得猶如一個單體系統(tǒng)。這種“合二為一”的糾纏可從源頭上降低外界干擾的影響,穩(wěn)定粒子頻率,讓本就極小的噪聲更小。
為驗證思路,迪茨團隊將一對鈣離子制備為糾纏態(tài),使其形成一種共享量子疊加態(tài),從而降低了原子對磁場噪聲的敏感度。接著,他們利用光學(xué)鐘躍遷探測該集合態(tài),并測量對應(yīng)的頻率。
在將測量結(jié)果與基于單個鍶原子的傳統(tǒng)光鐘對比后,他們發(fā)現(xiàn),二者的整體不穩(wěn)定性達(dá)到了相近水平;不過由于糾纏離子對獲取可測頻率信息的速度兩倍于單個離子,故前者的測量速率更高,達(dá)到同等測量精度所需的探測時間約為后者一半。
借助更快速的探測以及對測量結(jié)果的統(tǒng)計平均,光學(xué)原子鐘的頻率不穩(wěn)定性會被更快抑制。迪茨等人深受新成果的鼓舞,并認(rèn)為糾纏增強型的光學(xué)原子鐘將很快被應(yīng)用于前沿研究。
假想的暗物質(zhì)場會引發(fā)原子頻率的微小偏移,地球引力場的細(xì)微變化導(dǎo)致時間的相對論性微移——諸如此類物理現(xiàn)象都可通過超精密的光鐘探測。
此項研究的里程碑式意義不止于基礎(chǔ)物理學(xué),也關(guān)乎計量學(xué)領(lǐng)域。國際社會正計劃基于光學(xué)躍遷重新定義“秒”,而原子鐘與量子糾纏的組合或許就是重寫秒定義的理想路徑,有望推動新一代光頻標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建,為全球公認(rèn)的時間定義鋪平道路。
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