所有時(shí)鐘都通過(guò)計(jì)算某一參考頻率的振蕩次數(shù)來(lái)量化時(shí)間流逝。古老的鐘擺在穩(wěn)定擺動(dòng)中計(jì)時(shí)，現(xiàn)代數(shù)字時(shí)鐘則利用通電石英晶體的振動(dòng)。振蕩的穩(wěn)定性直接關(guān)乎計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度。比如，鐘擺難以避免明顯偏差，而石英的振動(dòng)可靠許多，因此石英鐘精度更高。

光學(xué)原子鐘是迄今為止人類(lèi)造出的最精密計(jì)時(shí)裝置，也是仍在不斷演進(jìn)的前沿科學(xué)成果。它是如何運(yùn)作的？具體來(lái)說(shuō)：

操控者會(huì)先用一束超穩(wěn)激光“探測(cè)”原子；激光頻率事先被調(diào)諧至原子固有的躍遷頻率附近，但二者只是接近，尚未完全匹配。假如激光頻率能精準(zhǔn)“鎖定”原子躍遷頻率，電子就會(huì)被激發(fā)至更高能級(jí)。(普朗克常數(shù)與躍遷頻率的乘積 = 高能級(jí)與低能級(jí)之差。)

為求鎖定，必須反復(fù)進(jìn)行光學(xué)探測(cè)。最終，原子鐘實(shí)現(xiàn)了激光與原子的同頻共振，光頻率穩(wěn)定于原子的躍遷線(xiàn)。

由此，時(shí)鐘可對(duì)這一穩(wěn)定光場(chǎng)的振蕩作計(jì)數(shù)——多次重復(fù)測(cè)量并取平均值以求抑制噪聲。(每一次測(cè)得的頻率都不完全一樣，而頻率測(cè)量值的隨機(jī)波動(dòng)意味著噪聲。)

若用一句話(huà)概括上述工作原理，那就是：光學(xué)原子鐘通過(guò)數(shù)原子的振蕩次數(shù)來(lái)計(jì)時(shí)。

由此可知，對(duì)測(cè)量者而言，原子的躍遷頻率波動(dòng)越小，振蕩越穩(wěn)定，噪聲就越小，鐘就越準(zhǔn)。

由于躍遷頻率的變動(dòng)微乎其微(可以認(rèn)為噪聲微乎其微)，測(cè)量平均值所達(dá)到的精度令人驚嘆。當(dāng)然，相關(guān)研究者并不驚訝，反而略帶不滿(mǎn)：現(xiàn)有成績(jī)距離基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)與量子尺度效應(yīng)測(cè)量所需的精度水平，仍有提升空間。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的專(zhuān)家凱·迪茨(Kai Dietze)就很想進(jìn)一步提高原子鐘精度。

2026年2月，迪茨與同事于《物理評(píng)論快報(bào)》(

Physical Review Letters

當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏時(shí)，其中一個(gè)粒子的狀態(tài)與另一個(gè)的存有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，換言之，這對(duì)粒子會(huì)表現(xiàn)得猶如一個(gè)單體系統(tǒng)。這種“合二為一”的糾纏可從源頭上降低外界干擾的影響，穩(wěn)定粒子頻率，讓本就極小的噪聲更小。

為驗(yàn)證思路，迪茨團(tuán)隊(duì)將一對(duì)鈣離子制備為糾纏態(tài)，使其形成一種共享量子疊加態(tài)，從而降低了原子對(duì)磁場(chǎng)噪聲的敏感度。接著，他們利用光學(xué)鐘躍遷探測(cè)該集合態(tài)，并測(cè)量對(duì)應(yīng)的頻率。

在將測(cè)量結(jié)果與基于單個(gè)鍶原子的傳統(tǒng)光鐘對(duì)比后，他們發(fā)現(xiàn)，二者的整體不穩(wěn)定性達(dá)到了相近水平；不過(guò)由于糾纏離子對(duì)獲取可測(cè)頻率信息的速度兩倍于單個(gè)離子，故前者的測(cè)量速率更高，達(dá)到同等測(cè)量精度所需的探測(cè)時(shí)間約為后者一半。

借助更快速的探測(cè)以及對(duì)測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)平均，光學(xué)原子鐘的頻率不穩(wěn)定性會(huì)被更快抑制。迪茨等人深受新成果的鼓舞，并認(rèn)為糾纏增強(qiáng)型的光學(xué)原子鐘將很快被應(yīng)用于前沿研究。

假想的暗物質(zhì)場(chǎng)會(huì)引發(fā)原子頻率的微小偏移，地球引力場(chǎng)的細(xì)微變化導(dǎo)致時(shí)間的相對(duì)論性微移——諸如此類(lèi)物理現(xiàn)象都可通過(guò)超精密的光鐘探測(cè)。

此項(xiàng)研究的里程碑式意義不止于基礎(chǔ)物理學(xué)，也關(guān)乎計(jì)量學(xué)領(lǐng)域。國(guó)際社會(huì)正計(jì)劃基于光學(xué)躍遷重新定義“秒”，而原子鐘與量子糾纏的組合或許就是重寫(xiě)秒定義的理想路徑，有望推動(dòng)新一代光頻標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，為全球公認(rèn)的時(shí)間定義鋪平道路。

資料來(lái)源：

文章轉(zhuǎn)載自“世界科學(xué)”微信公眾號(hào)