科研人員：量子糾纏可提升光學原子鐘精度

美國科羅拉多大學博爾德分校和美國國家標準與技術研究院的量子物理學家們，利用量子糾纏在原子和電子尺度上再現了一個充滿不同滴答聲“房間”的場景。這一成就可能為開發新型光學原子鐘鋪平道路。相關研究成果9日發表在《自然》雜志上。

光學原子鐘通過監測原子內部固有的“滴答”頻率來極其精確地追蹤時間。盡管這些時鐘已經達到了極高的精度，但它們仍受到量子力學中固有不確定性的限制，這似乎給時鐘的精度設定了一個無法逾越的上限。然而，量子糾纏現象或許能夠提供一種突破這種限制的新途徑。

當兩個粒子處于糾纏狀態時，對一個粒子的測量會瞬間影響另一個粒子的狀態，即便兩者相隔很遠也是如此。在實際應用中，這意味著在光學原子鐘中，被糾纏的原子不會像獨立個體那樣行為不可預測，而是表現得如同一個更大的單一實體，使得它們的行為更可預見。

此次研究團隊通過推動鍶原子，使其電子進入遠離原子核的高能級軌道，從而實現了量子糾纏。在這種狀態下，電子云變得非常擴散，就像蓬松的棉花糖。如果讓幾個這樣的原子足夠接近，它們之間的電子就會產生強烈的相互作用，形成糾纏態。研究人員嘗試構建了包含單個原子以及由兩個、四個和八個原子組成的糾纏群體的時鐘模型。

實驗結果顯示，在特定條件下，基于糾纏原子的時鐘表現出的不確定性，顯著低于傳統光學原子鐘，這意味著可以在更短的時間內達到相同的精度水平。更重要的是，這些新型時鐘甚至有望超越所謂的“標準量子極限”，而這是非糾纏系統理論上能達到的最佳精度極限。

這項研究不僅展示了量子技術如何提高計時精度，還為未來探索宇宙基本性質提供了新工具。