原子中的量子振動

原子鐘是世界上最精確的計(jì)時(shí)工具，這些精密的儀器會使用激光來測量原子的振動，這種振動實(shí)則折射出的是一個(gè)微型的信息世界。如果用現(xiàn)有的世界上最好的原子鐘從宇宙誕生之初就開始計(jì)時(shí)，到今天為止其計(jì)時(shí)誤差也不過半秒左右。

不過，它們還可以更精確。如果研究人員能夠更準(zhǔn)確地測量原子的振動，了解它們隨時(shí)間的演變，就可以進(jìn)一步提高原子鐘的精度。更精確的原子鐘能幫助科學(xué)家們回答一些令人費(fèi)解的問題，比如引力對時(shí)間的流逝可能產(chǎn)生什么影響，以及時(shí)間本身是否會隨著宇宙的年齡而變化等。

然而，在通往更好的量子測量的道路上，來自于經(jīng)典世界的干擾成了一個(gè)主要障礙。這些干擾可以輕而易舉地將微妙的原子振動 " 掩蓋 "，使我們難以探測到發(fā)生在振動中的微妙變化。

現(xiàn)在，在一篇新發(fā)表于《自然 · 物理》雜志上的論文中，一組物理學(xué)家表示他們利用兩個(gè)關(guān)鍵過程——量子糾纏和時(shí)間反演——顯著地將這種發(fā)生在原子振動中的量子變化進(jìn)行了放大。

糾纏的計(jì)時(shí)器

為了完美計(jì)時(shí)，理想的時(shí)鐘應(yīng)該能追蹤單原子的振蕩。但在原子級尺度上，量子力學(xué)定律占據(jù)了主導(dǎo)地位，測量原子的振蕩就像測量一枚被拋擲的硬幣，只有在多次拋擲測得平均值后才能得出正確的概率。換句話說，想要更好地測得與原子振蕩有關(guān)的信息，就必須對同一個(gè)原子進(jìn)行多次測量，進(jìn)而對這個(gè)原子的實(shí)際振蕩進(jìn)行估計(jì)——這一限制被稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

隨著原子數(shù)量的增加，所有原子給出的平均值會更加趨向于正確值。因此在最先進(jìn)的原子鐘中，物理學(xué)家對會數(shù)千個(gè)超冷原子的振蕩進(jìn)行多次測量，以此來增加獲得精確測量結(jié)果的幾率。盡管如此，這樣的系統(tǒng)中還是存在不確定性，影響了計(jì)時(shí)的精確度。

在 2020 年，新研究的作者Vladan Vuletic就與其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，原子鐘的精度可以通過與原子糾纏來提高。我們知道，所謂糾纏，指的是粒子被迫表現(xiàn)出一種集體性的、高度相關(guān)的行為狀態(tài)。在糾纏態(tài)下，多個(gè)單原子的振蕩會轉(zhuǎn)向一個(gè)共同的頻率，如此一來，就可以大幅減少為了實(shí)現(xiàn)精確測量而重復(fù)的測量次數(shù)。

不過，據(jù)研究人員介紹，2020 年的那項(xiàng)研究仍然受到時(shí)鐘相位讀取能力的限制。也就是說，當(dāng)時(shí)，用于測量原子振動的工具還不夠靈敏，無法讀取出或測量出原子的集體性振動中出現(xiàn)的任何細(xì)微變化。

量子時(shí)間反演

在新研究中，Vuletic 等人沒有試圖去提高現(xiàn)有讀數(shù)工具的分辨率，而是試圖增強(qiáng)振蕩的變化，然后用當(dāng)前已有的工具來讀取這些被增強(qiáng)了的信號。為了做到這一點(diǎn)，他們利用了量子力學(xué)中另一個(gè)奇怪的現(xiàn)象——時(shí)間反演。

不過，這種 " 時(shí)間反演 " 與你想象中的時(shí)間反演并不一樣。更確切地說，物理學(xué)家在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中找到了一種特殊的操縱量子糾纏原子的方式，使得粒子的行為就像它們在倒退的時(shí)間上演化一樣。

理論上，一個(gè)純粹的量子系統(tǒng)，比如一組完全不受經(jīng)典世界干擾的原子，應(yīng)該能以一種可預(yù)測的方式在時(shí)間上向前演化。而原子的相互作用（比如它們的振蕩）應(yīng)該由系統(tǒng)的 "哈密頓量" 精確描述。

在量子力學(xué)中，哈密頓量可理解為對系統(tǒng)總能量的一種數(shù)學(xué)描述。如果知道哈密頓量，就可以通過追蹤系統(tǒng)隨時(shí)間演化的行為。在 20 世紀(jì) 80 年代，理論學(xué)家預(yù)測，如果一個(gè)系統(tǒng)的哈密頓量的符號被逆轉(zhuǎn)，且同樣的量子系統(tǒng)被退演化，那么在時(shí)間上，這個(gè)系統(tǒng)就好像回到了過去。研究人員利用的正是這一想法。

放大量子信號

在這項(xiàng)研究中，研究人員制備了 400 個(gè)超冷鐿原子（現(xiàn)如今的原子鐘所使用的兩種原子類型之一）。他們將鐿原子冷卻到接近絕對零度的溫度，在這個(gè)溫度下，大多數(shù)經(jīng)典效應(yīng)和原子的行為都完全由量子效應(yīng)支配。

他們用激光系統(tǒng)來捕獲原子，然后發(fā)送一束藍(lán)色的 " 糾纏 " 光，迫使原子在糾纏的狀態(tài)下振蕩。他們讓糾纏的原子在時(shí)間上正向演化，再將它們暴露在一個(gè)小磁場中。這就引入了一個(gè)微小的量子變化，讓原子的集體振蕩發(fā)生略微的改變。

然而，現(xiàn)有的測量工具是不可能檢測到這種微小變化的。但是在時(shí)間反演的幫助下，研究人員加強(qiáng)了這種微弱的量子信號。為了做到這一點(diǎn)，他們發(fā)射了另一束紅色激光，刺激原子解開糾纏，這個(gè)過程就好似原子在時(shí)間上朝反向演化了一樣。然后，他們測量了粒子回到非糾纏態(tài)時(shí)的振蕩，發(fā)現(xiàn)它們的最后相位與初始相位明顯不同——這清晰地證明了它們在正向演化時(shí)發(fā)生了量子變化。

未來的范式

研究人員將這個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了數(shù)千次，實(shí)驗(yàn)對象的范圍從 50 到 400 個(gè)鐿原子不等，每次都觀察到了預(yù)期的量子信號的放大。他們發(fā)現(xiàn)，糾纏系統(tǒng)比類似的非糾纏原子系統(tǒng)的靈敏度高出 15 倍。如果將這樣的系統(tǒng)應(yīng)用到目前最先進(jìn)的原子鐘上，那么能將所需的測量次數(shù)減少到原有的 1/15。換言之，用擁有如此精確的計(jì)時(shí)能力的原子鐘去計(jì)量整個(gè)宇宙的年齡，誤差也將不超過 20 毫秒。

Vuletic 表示，未來，他們希望能夠在原子鐘，以及可以用于探索暗物質(zhì)和引力波的量子傳感器上測試這項(xiàng)技術(shù)。他們認(rèn)為這將是未來的范式，任何涉及到多原子的量子干涉都可以從這項(xiàng)技術(shù)中獲益。