量子纠缠技术助力原子钟精度翻倍：麻省理工新突破

排行榜 2025年10月09日 21:18 0 admin

信息来源：https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-improve-atomic-clocks-precision-1008

麻省理工学院物理学家通过创新的"全局相位光谱"技术，成功将光学原子钟的精度提升一倍，这一突破不仅克服了长期困扰科学界的量子噪声问题，更为开发便携式超精密原子钟铺平了道路。该技术利用量子纠缠现象和激光诱导的全局相位效应，使原子钟能够识别的时间间隔精度达到前所未有的水平。

发表在《自然》杂志上的这项研究展示了一种全新的方法来稳定驱动原子钟的激光系统。研究团队发现，当激光与量子纠缠的镱原子相互作用时，会产生一种此前被认为无关紧要的"全局相位"现象，但这种相位实际上包含着关于激光频率的重要信息，可以被用来显著提高时钟的稳定性。

弗拉丹·武莱蒂奇教授作为研究的主导者表示："通过这些时钟，人们正试图探测暗物质和暗能量，测试是否真的只有四种基本力，甚至看看这些时钟是否可以预测地震。我们认为我们的方法可以帮助使这些时钟可运输并部署到需要的地方。"

从量子噪声到量子优势的转变

原子钟的工作原理基于原子的自然振荡频率，这种振荡被称为原子的"滴答声"。传统的原子钟使用铯原子，每秒振荡超过100亿次，而下一代光学原子钟则采用镱等原子，其振荡频率可达每秒100万亿次，理论上能够提供更高的计时精度。

然而，量子噪声一直是制约光学原子钟发展的主要障碍。这种基本的测量限制源于量子力学的不确定性原理，会掩盖原子的纯净振荡信号，降低时钟的精度。武莱蒂奇团队在2020年首次证明了量子纠缠可以重新分配噪声，揭示更清晰的"滴答声"，但当时的技术仍然受到时钟激光不稳定性的限制。

新技术的核心创新在于发现激光与原子的相互作用过程中产生的全局相位现象。当激光照射量子纠缠的原子时，原子会在能量级之间跃迁，然后回到原始状态，但仍保留着关于这次"往返"的量子记忆。研究人员意识到，这种看似微不足道的相位变化实际上携带着激光频率的精确信息。

第一作者莱昂·扎波尔斯基解释道："激光最终继承了原子的滴答声，但要想让这种传承能够长期保持，激光必须相当稳定。"通过量子放大技术增强全局相位效应，研究团队成功地将激光频率与原子跃迁频率之间的微小差异放大到量子噪声水平之上。

技术应用前景与挑战

这项技术突破的意义远远超出了计时精度的改进。超精密原子钟在现代科技中扮演着至关重要的角色，从GPS导航系统到金融交易的时间戳，再到互联网的同步协议，都依赖于原子钟提供的精确时间基准。

在基础物理研究领域，超精密原子钟被视为探索宇宙奥秘的重要工具。科学家们希望通过比较不同地点或不同条件下原子钟的运行情况，来寻找暗物质的踪迹，测试相对论的预测，或者发现新的基本物理定律。一些研究甚至提出，原子钟的微小变化可能预示着地震等地质活动。

便携性是新技术的另一个重要优势。传统的超精密原子钟通常体积庞大，需要复杂的环境控制系统，限制了它们的应用场景。麻省理工学院的新方法有望开发出更加稳定且便携的光学原子钟，使科学家能够将这些精密仪器运送到各种研究地点。

量子通信和量子计算领域也将从这一技术中受益。精确的时间同步是量子网络运行的基础要求，而便携式超精密原子钟可以为分布式量子系统提供必要的时间基准。

从实验室到实际应用的路径

尽管取得了重要突破，但将这项技术从实验室转化为实际应用仍面临诸多挑战。首先是技术的复杂性问题。当前的实验需要将镱原子冷却到接近绝对零度并将其捕获在精密的光学腔中，这需要复杂的激光冷却系统和磁场控制设备。

稳定性是另一个关键挑战。虽然新技术提高了原子钟的短期稳定性，但长期稳定性仍需要进一步验证。实际应用中的环境干扰、温度波动和机械振动都可能影响时钟的性能。

成本因素也不容忽视。量子纠缠原子钟涉及高精度激光器、超低温系统和复杂的控制电子设备，这些组件的成本目前仍然很高。要实现商业化应用，需要在保持性能的同时大幅降低制造成本。

研究团队正在努力解决这些挑战。他们预计，随着原子钟中原子数量的增加，新方法的精度应该会稳步提高，这为进一步优化技术性能提供了明确的路径。同时，激光技术和量子控制技术的不断进步也为降低系统复杂性和成本创造了条件。

武莱蒂奇教授的团队已经在量子纠缠原子钟领域积累了丰富的经验。他们在2020年首次演示了量子纠缠如何提高原子钟精度，2022年又开发出"时间反转"技术来放大信号。最新的全局相位光谱技术是这一系列研究的重要延续，标志着该领域技术成熟度的显著提升。

这项研究得到了美国海军研究办公室、国家科学基金会、国防高级研究计划局等多个机构的支持，反映了军方和政府对超精密计时技术的高度重视。在国际竞争日益激烈的背景下，掌握先进的原子钟技术对于维护国家安全和科技竞争优势具有重要意义。

随着技术的不断完善，便携式超精密原子钟有望在未来几年内实现实际部署，为基础科学研究、国防应用和民用技术带来革命性的改变。

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