美国科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院的量子物理学家们,利用量子纠缠在原子和电子尺度上再现了一个充满不同滴答声“房间”的场景。这一成就可能为开发新型光学原子钟铺平道路。相关研究成果9日发表在《自然》杂志上。

光学原子钟通过监测原子内部固有的“滴答”频率来极其精确地追踪时间。尽管这些时钟已经达到了极高的精度,但它们仍受到量子力学中固有不确定性的限制,这似乎给时钟的精度设定了一个无法逾越的上限。然而,量子纠缠现象或许能够提供一种突破这种限制的新途径。

当两个粒子处于纠缠状态时,对一个粒子的测量会瞬间影响另一个粒子的状态,即便两者相隔很远也是如此。在实际应用中,这意味着在光学原子钟中,被纠缠的原子不会像独立个体那样行为不可预测,而是表现得如同一个更大的单一实体,使得它们的行为更可预见。

此次研究团队通过推动锶原子,使其电子进入远离原子核的高能级轨道,从而实现了量子纠缠。在这种状态下,电子云变得非常扩散,就像蓬松的棉花糖。如果让几个这样的原子足够接近,它们之间的电子就会产生强烈的相互作用,形成纠缠态。研究人员尝试构建了包含单个原子以及由两个、四个和八个原子组成的纠缠群体的时钟模型。

实验结果显示,在特定条件下,基于纠缠原子的时钟表现出的不确定性,显著低于传统光学原子钟,这意味着可以在更短的时间内达到相同的精度水平。更重要的是,这些新型时钟甚至有望超越所谓的“标准量子极限”,而这是非纠缠系统理论上能达到的最佳精度极限。

这项研究不仅展示了量子技术如何提高计时精度,还为未来探索宇宙基本性质提供了新工具。