原子中的量子振动
原子钟是世界上最精确的计时工具，这些精密的仪器会使用激光来测量原子的振动，这种振动实则折射出的是一个微型的信息世界。如果用现有的世界上最好的原子钟从宇宙诞生之初就开始计时，到今天为止其计时误差也不过半秒左右。
不过，它们还可以更精确。如果研究人员能够更准确地测量原子的振动，了解它们随时间的演变，就可以进一步提高原子钟的精度。更精确的原子钟能帮助科学家们回答一些令人费解的问题，比如引力对时间的流逝可能产生什么影响，以及时间本身是否会随着宇宙的年龄而变化等。
(资料图)
然而，在通往更好的量子测量的道路上，来自于经典世界的干扰成了一个主要障碍。这些干扰可以轻而易举地将微妙的原子振动“掩盖”，使我们难以探测到发生在振动中的微妙变化。
现在，在一篇新发表于《自然·物理》杂志上的论文中，一组物理学家表示他们利用两个关键过程——量子纠缠和时间反演——显著地将这种发生在原子振动中的量子变化进行了放大。
纠缠的计时器
为了完美计时，理想的时钟应该能追踪单原子的振荡。但在原子级尺度上，量子力学定律占据了主导地位，测量原子的振荡就像测量一枚被抛掷的硬币，只有在多次抛掷测得平均值后才能得出正确的概率。换句话说，想要更好地测得与原子振荡有关的信息，就必须对同一个原子进行多次测量，进而对这个原子的实际振荡进行估计——这一限制被称为标准量子极限。
随着原子数量的增加，所有原子给出的平均值会更加趋向于正确值。因此在最先进的原子钟中，物理学家对会数千个超冷原子的振荡进行多次测量，以此来增加获得精确测量结果的几率。尽管如此，这样的系统中还是存在不确定性，影响了计时的精确度。
在2020年，新研究的作者Vladan Vuletic就与其团队发现，原子钟的精度可以通过与原子纠缠来提高。我们知道，所谓纠缠，指的是粒子被迫表现出一种集体性的、高度相关的行为状态。在纠缠态下，多个单原子的振荡会转向一个共同的频率，如此一来，就可以大幅减少为了实现精确测量而重复的测量次数。
不过，据研究人员介绍，2020年的那项研究仍然受到时钟相位读取能力的限制。也就是说，当时，用于测量原子振动的工具还不够灵敏，无法读取出或测量出原子的集体性振动中出现的任何细微变化。
量子时间反演
在新研究中，Vuletic等人没有试图去提高现有读数工具的分辨率，而是试图增强振荡的变化，然后用当前已有的工具来读取这些被增强了的信号。为了做到这一点，他们利用了量子力学中另一个奇怪的现象——时间反演。
不过，这种“时间反演”与你想象中的时间反演并不一样。更确切地说，物理学家在这项实验中找到了一种特殊的操纵量子纠缠原子的方式，使得粒子的行为就像它们在倒退的时间上演化一样。
理论上，一个纯粹的量子系统，比如一组完全不受经典世界干扰的原子，应该能以一种可预测的方式在时间上向前演化。而原子的相互作用（比如它们的振荡）应该由系统的“哈密顿量”精确描述。
在量子力学中，哈密顿量可理解为对系统总能量的一种数学描述。如果知道哈密顿量，就可以通过追踪系统随时间演化的行为。在20世纪80年代，理论学家预测，如果一个系统的哈密顿量的符号被逆转，且同样的量子系统被退演化，那么在时间上，这个系统就好像回到了过去。研究人员利用的正是这一想法。
放大量子信号
在这项研究中，研究人员制备了400个超冷镱原子（现如今的原子钟所使用的两种原子类型之一）。他们将镱原子冷却到接近绝对零度的温度，在这个温度下，大多数经典效应和原子的行为都完全由量子效应支配。
他们用激光系统来捕获原子，然后发送一束蓝色的“纠缠”光，迫使原子在纠缠的状态下振荡。他们让纠缠的原子在时间上正向演化，再将它们暴露在一个小磁场中。这就引入了一个微小的量子变化，让原子的集体振荡发生略微的改变。
然而，现有的测量工具是不可能检测到这种微小变化的。但是在时间反演的帮助下，研究人员加强了这种微弱的量子信号。为了做到这一点，他们发射了另一束红色激光，刺激原子解开纠缠，这个过程就好似原子在时间上朝反向演化了一样。然后，他们测量了粒子回到非纠缠态时的振荡，发现它们的最后相位与初始相位明显不同——这清晰地证明了它们在正向演化时发生了量子变化。
未来的范式
研究人员将这个实验重复了数千次，实验对象的范围从50到400个镱原子不等，每次都观察到了预期的量子信号的放大。他们发现，纠缠系统比类似的非纠缠原子系统的灵敏度高出15倍。如果将这样的系统应用到目前最先进的原子钟上，那么能将所需的测量次数减少到原有的1/15。换言之，用拥有如此精确的计时能力的原子钟去计量整个宇宙的年龄，误差也将不超过20毫秒。
Vuletic表示，未来，他们希望能够在原子钟，以及可以用于探索暗物质和引力波的量子传感器上测试这项技术。他们认为这将是未来的范式，任何涉及到多原子的量子干涉都可以从这项技术中获益。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2022/quantum-time-reversal-physics-0714
#图片来源：
封面图&首图：insspirito / Pixabay
关键词： 新技术可将原子钟的精确度提高15倍
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