麻省理工發明出新型原子鐘

原子鐘是世界上最精確的時間記錄器。它使用鐳射來測量原子振動，原子以恆定的頻率振盪，就像微觀的鐘擺同步擺動。

最好的原子鐘能非常精確地記錄時間，打個比方，如果它們從宇宙誕生之初就開始執行的話，到今天也只會誤差大約半秒鐘的時間而已！

不過，原子鐘的開發並沒有停滯不前，它們還可以更加的精確。不斷追求更精確是有原因的：如果原子鐘能更精確地測量原子振動，它們就會敏感到足以探測暗物質和引力波等現象。有了更精確的原子鐘，科學家們還可以開始回答一些匪夷所思的問題，比如引力對時間的流逝可能會產生什麼影響，時間本身是否會隨著宇宙的衰老而改變等等。

現在，麻省理工學院物理學家已經設計出一種新型原子鐘，或許能讓科學家們繼續探索這類問題，並可能揭示新的物理學原理。

和現有的設計不同，該原子鐘測量的不是一團隨機振盪的原子，而是已經被量子糾纏的原子。這些原子以一種根據經典物理定律不可能實現的方式相互關聯，這使得科學家能夠更精確地測量原子的振動。

主要研究員，麻省理工學院電子學研究實驗室的博士後埃德溫·佩德羅佐·佩納菲爾說:"糾纏增強的光學原子鐘將有可能在一秒鐘內達到比目前最先進的光學時鐘更好的精度。"

這種原子鐘的時鐘偏差在整個宇宙時代將小於100毫秒。

自從人類開始追蹤時間的流逝，我們就一直在利用週期性的現象來追蹤，比如太陽在天空中的運動。今天，原子的振動是科學家們能觀察到的最穩定的週期性事件。此外，一個銫原子會與另一個銫原子以完全相同的頻率振盪。

為了精確記錄的時間，時鐘最好能跟蹤單個原子的振盪。但在這個尺度上，一個原子是如此之小，以至於它的行為跨入量子力學的神秘規則範疇。當被測量時，它的行為就像一枚翻轉的硬幣，只有當多次翻轉後的平均數才會給出正確的機率。這種限制就是物理學家所說的標準量子極限。

當增加原子的數量時，所有這些原子給出的平均值就會朝著給出正確值的方向發展。

這就是為什麼今天的原子鐘被設計成測量由數千個相同型別的原子組成的氣體，以便得到它們的平均振盪的估計值。傳統的原子鐘是這樣做的：首先使用鐳射系統將超冷原子氣體聚集到一個鐳射形成的陷阱中。然後用非常穩定的鐳射器（其頻率接近於原子振動的頻率）來探測原子振盪，從而跟蹤時間。

然而，標準量子極限仍在發揮作用，這意味著即使在成千上萬的原子中，它們的確切個體頻率仍存在一些不確定性。這就是新原子鐘所展示的量子糾纏可能會有幫助的地方。

一般來說，量子糾纏描述的是一種非經典的物理狀態，在這種狀態下，一群原子會顯示出相關的測量結果，即使每個單個原子的行為就像隨機拋擲硬幣一樣。

研究小組推斷，如果原子被糾纏，它們的個體振盪會緊緊圍繞著一個共同的頻率，比不糾纏時的偏差更小。因此，原子鐘所測量的平均振盪，其精度將超過標準量子極限。

在新原子鐘中，科學家們纏繞了大約350個鐿原子，這種原子的振盪頻率和可見光的頻率一樣高，這意味著任何一個原子在一秒鐘內的振動頻率都比銫高10萬倍。如果能夠精確跟蹤鐿的振盪，科學家就可以利用原子來區分越來越小的時間間隔。

該小組使用標準技術冷卻原子，並將其困在由兩面鏡子形成的光腔中。然後，他們將鐳射送入光腔，鐳射在鏡面之間與原子互動數千次。

這就像光作為原子之間的溝通紐帶。第一個看到這道光的原子會稍微修改這道光，而這道光也會修改第二個原子，第三個原子，透過許多迴圈，原子們共同認識對方，並開始表現得相似。

透過這種方式，研究人員將原子進行量子糾纏，然後使用另一種類似於現有原子鐘的鐳射來測量它們的平均頻率。當研究小組在不糾纏原子的情況下進行類似的實驗時，他們發現，糾纏原子的原子鐘達到理想精度的速度快了四倍。

如果當今最先進的原子鐘能夠適應測量量子糾纏原子，它們不僅能保持更好的時間，還能幫助破譯宇宙中的訊號，如暗物質和引力波，並開始回答一些古老的問題。比如，隨著宇宙的衰老，光速是否會發生變化？電子的電荷是否會發生變化？它們都可以用更精確的原子鐘來探究。

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