原子中的量子振動

原子鐘是世界上最精確的計時工具，這些精密的儀器會使用激光來測量原子的振動，這種振動實則折射出的是一個微型的信息世界。如果用現有的世界上最好的原子鐘從宇宙誕生之初就開始計時，到今天為止其計時誤差也不過半秒左右。

不過，它們還可以更精確。如果研究人員能夠更準確地測量原子的振動，了解它們隨時間的演變，就可以進一步提高原子鐘的精度。更精確的原子鐘能幫助科學家們回答一些令人費解的問題，比如引力對時間的流逝可能產生什么影響，以及時間本身是否會隨著宇宙的年齡而變化等。

然而，在通往更好的量子測量的道路上，來自于經典世界的干擾成了一個主要障礙。這些干擾可以輕而易舉地將微妙的原子振動 " 掩蓋 "，使我們難以探測到發生在振動中的微妙變化。

現在，在一篇新發表于《自然 · 物理》雜志上的論文中，一組物理學家表示他們利用兩個關鍵過程——量子糾纏和時間反演——顯著地將這種發生在原子振動中的量子變化進行了放大。

糾纏的計時器

為了完美計時，理想的時鐘應該能追蹤單原子的振蕩。但在原子級尺度上，量子力學定律占據了主導地位，測量原子的振蕩就像測量一枚被拋擲的硬幣，只有在多次拋擲測得平均值后才能得出正確的概率。換句話說，想要更好地測得與原子振蕩有關的信息，就必須對同一個原子進行多次測量，進而對這個原子的實際振蕩進行估計——這一限制被稱為標準量子極限。

隨著原子數量的增加，所有原子給出的平均值會更加趨向于正確值。因此在最先進的原子鐘中，物理學家對會數千個超冷原子的振蕩進行多次測量，以此來增加獲得精確測量結果的幾率。盡管如此，這樣的系統中還是存在不確定性，影響了計時的精確度。

在 2020 年，新研究的作者Vladan Vuletic就與其團隊發現，原子鐘的精度可以通過與原子糾纏來提高。我們知道，所謂糾纏，指的是粒子被迫表現出一種集體性的、高度相關的行為狀態。在糾纏態下，多個單原子的振蕩會轉向一個共同的頻率，如此一來，就可以大幅減少為了實現精確測量而重復的測量次數。

不過，據研究人員介紹，2020 年的那項研究仍然受到時鐘相位讀取能力的限制。也就是說，當時，用于測量原子振動的工具還不夠靈敏，無法讀取出或測量出原子的集體性振動中出現的任何細微變化。

量子時間反演

在新研究中，Vuletic 等人沒有試圖去提高現有讀數工具的分辨率，而是試圖增強振蕩的變化，然后用當前已有的工具來讀取這些被增強了的信號。為了做到這一點，他們利用了量子力學中另一個奇怪的現象——時間反演。

不過，這種 " 時間反演 " 與你想象中的時間反演并不一樣。更確切地說，物理學家在這項實驗中找到了一種特殊的操縱量子糾纏原子的方式，使得粒子的行為就像它們在倒退的時間上演化一樣。

理論上，一個純粹的量子系統，比如一組完全不受經典世界干擾的原子，應該能以一種可預測的方式在時間上向前演化。而原子的相互作用（比如它們的振蕩）應該由系統的 "哈密頓量" 精確描述。

在量子力學中，哈密頓量可理解為對系統總能量的一種數學描述。如果知道哈密頓量，就可以通過追蹤系統隨時間演化的行為。在 20 世紀 80 年代，理論學家預測，如果一個系統的哈密頓量的符號被逆轉，且同樣的量子系統被退演化，那么在時間上，這個系統就好像回到了過去。研究人員利用的正是這一想法。

放大量子信號

在這項研究中，研究人員制備了 400 個超冷鐿原子（現如今的原子鐘所使用的兩種原子類型之一）。他們將鐿原子冷卻到接近絕對零度的溫度，在這個溫度下，大多數經典效應和原子的行為都完全由量子效應支配。

他們用激光系統來捕獲原子，然后發送一束藍色的 " 糾纏 " 光，迫使原子在糾纏的狀態下振蕩。他們讓糾纏的原子在時間上正向演化，再將它們暴露在一個小磁場中。這就引入了一個微小的量子變化，讓原子的集體振蕩發生略微的改變。

然而，現有的測量工具是不可能檢測到這種微小變化的。但是在時間反演的幫助下，研究人員加強了這種微弱的量子信號。為了做到這一點，他們發射了另一束紅色激光，刺激原子解開糾纏，這個過程就好似原子在時間上朝反向演化了一樣。然后，他們測量了粒子回到非糾纏態時的振蕩，發現它們的最后相位與初始相位明顯不同——這清晰地證明了它們在正向演化時發生了量子變化。

未來的范式

研究人員將這個實驗重復了數千次，實驗對象的范圍從 50 到 400 個鐿原子不等，每次都觀察到了預期的量子信號的放大。他們發現，糾纏系統比類似的非糾纏原子系統的靈敏度高出 15 倍。如果將這樣的系統應用到目前最先進的原子鐘上，那么能將所需的測量次數減少到原有的 1/15。換言之，用擁有如此精確的計時能力的原子鐘去計量整個宇宙的年齡，誤差也將不超過 20 毫秒。

Vuletic 表示，未來，他們希望能夠在原子鐘，以及可以用于探索暗物質和引力波的量子傳感器上測試這項技術。他們認為這將是未來的范式，任何涉及到多原子的量子干涉都可以從這項技術中獲益。