美國原子鐘突破量子極限！只能運行3毫秒，卻可測毫米級重力變化

美國科學家正在重新定義時間測量方式，他們開發出了一種新型的光學原子鐘，利用鍶原子之間的量子糾纏，實現了超越極限的時間精度。你舉着手指竭力保持不動，它都能給你畫出指甲蓋上海拔微微變化帶來的地球引力波動驚濤駭浪圖。這項突破已發表在10月9日《自然》雜誌上。

現在計時精度最高的是光學原子鐘，它通過原子的自然振動來計時，就像傳統鐘錶中的鐘擺一樣，只不過這些“鐘擺”每秒鐘能“滴答”數萬億次，精度超乎想象，被用於導航衛星等高精尖設備上。

但即使是這種超精密的原子鐘，不確定性也會隨着時間推移逐漸積累，導致時間精度受到限制，這就是物理學中的“標準量子極限”。

如何打破這個極限呢？遇事不決，量子力學，科學家們想到了量子糾纏。

科羅拉多大學博爾德分校和美國國家標準與技術研究所 (NIST)團隊，將幾十個鍶原子困在晶格里，冷卻到接近絕對零度，然後用激光進行轟擊，讓它們單個、2個、4個、8個糾纏在一起，形成一種量子糾纏的“鬼影互動”，相當於將4個“獨立時鐘”融合成了一個超級精準的“聯合時鐘”。

這些原子在低能級和高能級之間來回跳躍，形成一個精度極高的“鐘擺”，每秒鐘可以振盪超過1萬億次，比傳統光學原子鐘的不確定性小得多。

這意味着科學家們用量子糾纏突破了量子極限，時間將可能被分割成更小的單位，得到更精確的測量，這種超高精度的原子鐘將可能用於基本物理定律的驗證，徹底改變人類的基礎科學。

一個明顯的例子就是地球引力測量，科學家們聲稱這個原子鐘可以檢測海拔高度幾分之一毫米變化帶來的地球引力細微變化。這意味着我舉着一根手指，本能地自然顫抖，它都能將我指甲蓋上的引力變化畫成一幅驚濤駭浪圖，可以直接給細菌微生物們導航了。

另外這種原子糾纏方式，還有可能成爲創建多量子比特門的基礎，從而帶來量子計算的巨大進步。

不過由於量子糾纏的脆弱性，這種原子鐘目前還只能運行3毫秒，因爲鍶原子之間的量子糾纏很快就會因退相干而瓦解。研究人員正在努力延長這種糾纏的維持時間，以便讓這項技術能夠應用在更長時間的測量中，爲未來的科學進步奠定堅實的基礎，推動整個人類文明的進步。

參考文獻：

Cao, A., Eckner, W.J., Lukin Yelin, T. et al. Multi-qubit gates and Schrödinger cat states in an optical clock. Nature 634, 315–320 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z