麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，可以幫助建造迄今為止最精確的原子鐘。

這種新型原子鐘非常精確，140億年后的誤差還不到十分之一秒，這將有助于科學(xué)家研究重力對(duì)時(shí)間的影響。

他們的設(shè)計(jì)以量子糾纏原子為中心，而不是測(cè)量隨機(jī)振蕩的原子。為此，美國(guó)專家的設(shè)計(jì)利用了一種叫做量子糾纏的奇異現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中粒子會(huì)緊密地連接在一起。

研究人員解釋說，這種糾纏有助于減少測(cè)量原子振蕩時(shí)的不確定性，原子時(shí)鐘用來計(jì)時(shí)。

這個(gè)時(shí)鐘可以用來揭示構(gòu)成宇宙四分之三以上的難以捉摸的“暗物質(zhì)”，也可以用來研究引力對(duì)時(shí)間的影響。

麻省理工學(xué)院的電子工程師、論文作者Edwin Pedrozo-Penafiel說:“與目前最先進(jìn)的光學(xué)時(shí)鐘相比，量子糾纏增強(qiáng)光學(xué)原子鐘有可能在1秒內(nèi)達(dá)到更高的精度。”

就像老爺鐘利用擺錘的擺動(dòng)來計(jì)時(shí)一樣，原子鐘利用激光來測(cè)量原子云的有規(guī)律的擺動(dòng)——這是科學(xué)家目前可以觀測(cè)到的最穩(wěn)定的周期性事件。

理想情況下，人們可以利用單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)。然而在原子尺度上，奇異的量子力學(xué)規(guī)則開始發(fā)揮作用——測(cè)量的概率必須被平均出來，才能產(chǎn)生可靠的數(shù)據(jù)。

麻省理工學(xué)院(MIT)的物理學(xué)家、論文作者科倫坡(Simone Colombo)解釋說:“當(dāng)你增加原子的數(shù)量時(shí)，所有這些原子的平均值都趨向于給出正確的值?！?/p>

目前的原子鐘測(cè)量數(shù)千個(gè)超冷原子——用激光把它們關(guān)在一個(gè)光學(xué)“陷阱”里，然后用另一種頻率與被測(cè)原子振動(dòng)頻率相似的激光探測(cè)它們。

然而，即使是這種方法也存在一定程度的量子不確定性——但是，正如研究小組所展示的那樣，其中一些問題可以通過量子糾纏消除，在量子糾纏中，一組原子可以進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。

研究人員解釋說，這意味著糾纏原子的單個(gè)振蕩在一個(gè)共同頻率附近被收緊，從而提高了時(shí)鐘測(cè)量的精度。

在他們的新設(shè)計(jì)中，佩德羅索-佩納菲耶爾博士和同事們讓大約350個(gè)稀土元素鐿原子糾纏在一起，鐿原子每秒振蕩10萬次，比銫原子(傳統(tǒng)原子鐘中使用的元素)的頻率要高。

這一事實(shí)意味著，如果追蹤準(zhǔn)確的話，這種新時(shí)鐘甚至可以分辨出更小的時(shí)間內(nèi)部因素，從而變得更準(zhǔn)確。

和普通原子鐘一樣，研究小組將原子困在由兩個(gè)鏡子包圍的光學(xué)腔中，然后發(fā)射激光穿過腔，使激光在兩個(gè)鏡子之間反彈，反復(fù)與原子相互作用并使它們糾纏在一起。

論文作者、同樣來自麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Chi Shu稱，這就好像光充當(dāng)了原子之間的通訊紐帶。

“第一個(gè)看到這束光的原子會(huì)輕微地改變這束光，這束光也會(huì)改變第二個(gè)原子、第三個(gè)原子，經(jīng)過許多個(gè)周期，原子集體地相互了解，并開始表現(xiàn)出相似的行為?！?/p>

然后，研究小組用另一種激光測(cè)量原子的平均頻率——與現(xiàn)有原子鐘所用的方法類似。研究小組發(fā)現(xiàn)，這種糾纏讓時(shí)鐘以快4倍的速度達(dá)到預(yù)期精度。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家、論文作者Vladan Vuletic說:“你總是可以通過測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間來讓時(shí)鐘更精確?！?/p>

“問題是，你需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到一定的精度。許多現(xiàn)象需要用快速的時(shí)間尺度來衡量?！?/p>

Vuletic教授補(bǔ)充說，新的時(shí)鐘設(shè)計(jì)可以用來更好地解決宇宙中各種未解之謎。

該研究的全部發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》雜志上。