量子糾纏讓人類丈量時間的“尺子”，又精、又快了一步

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，也是仍在不斷演進的前沿科學成果。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“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)進行光學探測。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。

由于躍遷頻率的變動微乎其微(可以認為噪聲微乎其微)，測量平均值所達到的精度令人驚嘆。當然，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

當兩個粒子發(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，并認為糾纏增強型的光學原子鐘將很快被應(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，也關(guān)乎計量學領(lǐng)域。國際社會正計劃基于光學躍遷重新定義“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準的構(gòu)建，為全球公認的時間定義鋪平道路。

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文章轉(zhuǎn)載自“世界科學”微信公眾號