從人類開始追蹤時間的流逝起，就會憑藉一些週期性的現象來標記時間，例如太陽在天空的運動。在這些事件中，原子的振盪是科學家目前所能觀測到的最穩定週期性事件。而原子鐘也是目前世界上最精確的計時儀器。

原子鐘通常會使用鐳射來測量原子的振盪。以恆定的頻率振盪的原子，就好像是許多同步振盪的微型單擺一樣。目前，世界上最好的原子鐘能以極高的精確度追蹤時間，如果它從宇宙誕生之初就開始執行，那麼累計到今天，它的誤差也只有大約半秒而已。

然而，對於許多科學家來說，他們希望這一精確度還能繼續高。擁有更加精確的原子鐘具有十分重要的科學意義，它們能幫助探索更多令人費解的問題，比如引力對時間流逝有什麼影響？時間和光速是否會隨著宇宙年齡的增長而變化？……

若要獲得更加精確的原子鐘，科學家需要能夠更準確地測量原子的振盪，現在，麻省理工學院的物理學家設計了一種新型的原子鐘，將原子鐘的精確性實現了進一步的提高。這一新的研究成果被髮表在了近期的《自然》雜誌上。

為了精確計時，理想的原子鐘應該能準確地追蹤每個原子的振盪。但在原子級別的微觀尺度下，原子的行為取決於量子力學中的那些神秘定律：當對它進行測量時，其行為就像是拋擲一枚硬幣，只有在多次拋擲再取平均數後，才能得出正確的機率。這個極限就是物理學家所說的標準量子極限。當原子的數量越多，得出的平均值就越趨向於正確的值。

這也是為什麼現在的最先進的原子鐘所測量的，都是隨機振盪的原子雲。這些原子鐘被設計來對由數千種相同型別的原子組成的氣體進行測量，以便能更好地對它們的平均振盪進行估算。一般來說，典型的原子鐘是這樣做的：首先用一套鐳射系統將一團超高密度的原子氣體困在一個由鐳射形成的阱中；再發射另一束非常穩定的、頻率與原子的振盪頻率相近的鐳射，以探測原子的振盪，記錄時間。

然而，標準量子極限仍然存在，這意味著無論有多少個原子，關於每個單個原子的頻率仍存在一些不確定性。而這正是量子糾纏或許能夠解決的問題。研究人員認為，如果原子處於糾纏狀態，那麼它們各自的振盪將會收斂到一個共同的頻率附近，這與沒有糾纏的情況相比，偏差會更小。因此，這樣的原子鐘所測量的平均振盪，其精度將能超越標準量子極限。

在新的研究中，研究人員建造的原子鐘測量的是量子糾纏的原子。量子糾纏描述的是一種非經典的物理狀態，在這種狀態下，不同的原子可以顯示出相關的測量結果。

在實驗中，研究人員大約讓350（±40）個鐿原子實現了相互糾纏。這些原子的振盪頻率非常高，如果它們的振盪可以被精確地捕捉，那麼它們就可被用來對更小的時間間隔進行區分。

在實驗過程中，研究人員先將原子冷卻到接近絕對零度的溫度。這些原子被困在由兩面鏡子構成的光學腔中。他們向光學腔中發射一束壓縮鐳射，這束在反射鏡之間來回碰撞的光會與原子發生成千上萬次的相互作用。如此一來，這束光就像是原子與原子之間的“通訊”紐帶，第一個與這束光相遇的原子會對它產生輕微的改變；接著，它會與第二個、第三個原子相互作用……經過許多個週期之後，這些原子就會集體地彼此“認識”，並開始表現出相似的行為。

經過這個過程之後，這些原子就被“量子糾纏”了。然後，另一束鐳射會被用來充當原子鐘的功能，對原子的平均頻率進行測量。

為了測試新原子鐘的效率，研究人員在不涉及量子糾纏的情況下進行了類似的實驗。他們發現，涉及糾纏原子的原子鐘，能以4倍速度達到不涉及糾纏原子的原子鐘的相同精度。

研究人員表示，如果現在最先進的原子鐘能夠像新研究中的那樣做到測量糾纏的原子，那麼它們的計時精確性將能得到很大的提升，在追蹤整個宇宙的年齡時，誤差將不超過100毫秒。並且除了能更加準確地計時之外，這樣的原子鐘還能幫助科學家破譯深藏於宇宙中的許多奧秘，比如暗物質和引力波，讓科學家得以探索一些古老的大問題，從而有望揭示新的物理學。

https://news.mit.edu/2020/atomic-clock-time-precise-1216

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03510-y