原子鐘技術驗證時間存在量子疊加態

根據量子理論，時間的流逝本身可能處于量子疊加態，即同時以更快和更慢的速率“流動”。這一長期停留在理論層面的設想，如今有望借助先進原子鐘技術在實驗中得到驗證。美國史蒂文斯理工學院研究人員20日將相關成果發表于《物理評論快報》雜志。

囚禁離子是一種多功能平臺，被廣泛用于量子計算和超高精度計時。最新研究表明，將這兩種能力結合起來，可以揭示物理現實更深層的一面：時間流逝的量子疊加態。圖片來源：物理學家組織網

在相對論中，每一臺時鐘都擁有各自的“固有時間”，其流逝取決于速度和所處位置。這類效應已通過超高精度原子鐘得到驗證。然而，還有一種更反直覺的版本，即“量子孿生子佯謬”：一臺時鐘能否在量子疊加態中同時經歷兩種不同的時間流逝，從而“更年輕”又“更年老”？

根據皮科夫斯基及其合作者十多年前提出的理論，這種情形在量子框架下是可能出現的。只是迄今為止，這一極其微妙的效應仍難以實驗觀測。

最新研究表明，隨著原子鐘精度的持續提升，這一長期停留在理論層面的效應正逐步進入可探測范圍。在實驗中，研究人員通過囚禁單個離子（如鋁或鐿離子），并將其冷卻至接近絕對零度，再利用激光脈沖精確操控其量子態。結果顯示，通過將原子鐘技術與用于囚禁離子量子計算的量子信息技術相結合，可觀測到此前從未被探測到的時間的量子特性。

即便在絕對零度條件下，量子漲落仍會影響時鐘的計時速率。此外，通過構造所謂“壓縮態”，直接調控量子真空，可使時鐘的位置與速度呈現特殊的量子關聯，從而引發時間流逝的疊加與糾纏現象，也就是說，一臺時鐘不僅可同時“走快”和“走慢”，還會與其“壓縮態”運動產生量子糾纏。