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举个栗子:利用量子纠缠,全球的原子钟可以连为一体吗?

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 364次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:利用量子纠缠,全球的原子钟可以连为一体吗?

物理学家计划利用“量子纠缠”超越任何单个原子钟的精度。研究者们表示,利用量子物理技术,他们可以建立原子钟全球网络,将比现有任何单原子钟都更加精确。

如果全球的原子钟真的可以连为一体,世界各国的国家间同步计时标准将首次实现统一。新技术不但可以增强空间导航能力,还将有助于对基础物理概念的探索,例如引力波的实质究竟是不是一种行波,可以在在时间和空间中传播。

“我们要多些想象力”,哈佛大学物理学家,该论文共同作者埃里克?凯斯勒(Eric Kessler)说,“构建原子钟量子网络的基本模块都已经在理论上证实了。我们想展示的是,如果将所有这些模块融合到一起将会出现什么。”哈佛大学的米哈伊尔?卢金(Mikhail Lukin)带领凯斯勒和他的同事们描绘了他们的超级量子时钟,并在《自然物理学》(Nature Physics)上发表了相关论文。

【纠缠的时间】

这一想法结合了当前两大热门研究领域。一是原子钟:因科学家们改进了测量带电粒子或原子的能态间的超高速波动的方法,提高了原子钟的精确度。第二个是量子纠缠。在量子纠缠中,一对粒子以某种方式连接,测量其中一个粒子的性质,同时便可确定另一个粒子也具有的性质。卢金研究组希望,把多个原子钟的原子,通过纠缠一个一个连接起来。

想象一下,天空中有 10 颗人造卫星,每颗都带有自己的原子钟,凯斯勒说。以其中一颗作为网络中心,准备好纠缠态的时钟粒子,然后与相邻的卫星通信,将纠缠延伸过去,就可以利用时钟粒子的纠缠,将卫星组成一个量子网络。

这种纠缠可以减少测量噪声,提高单台原子钟的精确性,而连接在网络中的每一台原子钟的性能都会有所提升。凯斯勒说,“这就好像每台独立的原子钟都在使用同一个巨大而精确精确钟摆一样。”

信息共享也使时钟更加稳定。每台时钟都可以向中心卫星发送临时更新,报告它们保持时间信息的状态。随后网络将对其整体性能进行微调,“如果网络中的时钟越多,性能就越好,”马里兰大学的物理学家克里斯托弗?门罗说。

更精确的计时有很多重要的应用,不仅可以让全球金融市场获得近乎完美的同步性,还可以提高卫星导航系统的性能。GPS 对地面位置进行定位,需要精确的时间标准。其他更基本的应用可能包括探索广义相对论效应,因为连接的时钟同样将作为共同频率参考,可以用来探测时间和空间上的微小变化。

这些听起来,似乎让人觉得难以置信,这是因为要实现这种超级时钟,还有很长的路要走。尽管时钟网络的某些部分已经在实验室中实现了,但还有很多工作要做。例如目前已经同时纠缠了 14 个原子,但是连接的准确度仍然离真正的需求相去甚远。而且这种纠缠状态最适用于构建那种相连原子钟只产生不超过 10 个原子的网络,哥本哈根尼尔斯?波尔研究所的物理学家尤金?波尔齐克(Eugene Polzik)说,另外,目前还没有人可以验证空间中的纠缠现象。

科罗拉多大学和国家标准技术局的物理学家詹姆斯?汤普森(James Thompson)说,这篇论文很重要,因为它给出了利用量子纠缠提高科学家测量能力的方法,例如原子钟。“这是个大问题”他说,“每个人都希望我们将能产生许多纠缠现象,观察它并利用它做一些事情,但是实际上并非如此。”汤普森已经在实验室中致力于改善量子纠缠并让它更实用。

“毫无疑问这是一个非常有希望的计划”凯斯勒说,“我们有很长的路要走。”(作者:亚历山德拉?维茨;翻译:杨静琦)


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