新的，更精确的原子钟可以帮助检测暗物质并研究重力对时间的影响

原子被困在由两个反射镜组成的光学腔中。当通过腔设置“挤压”激光器时，原子会纠缠在一起，并使用第二个激光器测量其频率，以此作为更精确的原子钟的平台。

新的原子钟设计使用纠缠的原子，可以帮助科学家发现暗物质并研究重力对时间的影响。

原子钟是世界上最精确的计时器。这些精美的仪器使用激光来测量原子的振动，这些原子以恒定的频率振荡，就像许多微小的摆锤同步摆动一样。世界上最好的原子钟保持着如此精确的时间，如果它们自宇宙开始以来就一直在运转，那么今天它们将仅停留约半秒。

不过，它们甚至可以更加精确。如果原子钟能够更准确地测量原子振动，那么它们将足够灵敏以检测诸如暗物质和引力波之类的现象。有了更好的原子钟，科学家还可以开始回答一些令人费解的问题，例如重力对时间的流逝可能产生什么影响，以及时间本身是否随着宇宙的老化而改变。

现在，麻省理工学院物理学家设计的一种新型原子钟可以使科学家们探索此类问题，并可能揭示新的物理学。

研究人员今天在《自然》杂志上报告说，他们已经建立了一个原子钟，它不像目前最先进的设计那样测量随机振荡的原子云，而是测量已经被量子纠缠的原子。原子以经典物理学定律不可能的方式关联在一起，这使科学家能够更准确地测量原子的振动。

新的设置可以达到相同的精度，比没有纠缠的时钟快四倍。

麻省理工学院电子研究实验室的博士后首席作者埃德温·佩德罗佐-佩尼亚菲尔说：“增强纠缠的光学原子钟有可能在1秒钟内达到比目前最先进的光学钟更高的精度。”

如果采用最先进的原子钟，以麻省理工学院团队的设置方式来测量纠缠的原子，那么它们的计时将得到改善，从而在整个宇宙时代，这些钟都将相距不到100毫秒。

该论文的其他作者是麻省理工学院的西蒙娜·科伦坡，赤舒，阿尔伯特·阿迪亚图林，李泽扬，恩里克·门德斯，鲍里斯·布拉弗曼，川崎昭夫，赤松彩介，萧彦宏和莱斯特·沃尔夫物理学教授弗拉丹·弗莱蒂奇。

时限

自从人类开始跟踪时间的流逝以来，他们就使用周期性现象（例如太阳在天空中的运动）进行跟踪。今天，原子中的振动是科学家可以观察到的最稳定的周期性事件。此外，一个铯原子将以与另一个铯原子完全相同的频率振荡。

为了保持完美的时间，理想情况下，时钟将跟踪单个原子的振荡。但是在这样的规模下，原子是如此之小，以至于它按照量子力学的神秘规律行事：当进行测量时，它的行为就像是抛硬币，只有在多次翻转中取平均值才能给出正确的概率。这个限制就是物理学家所说的标准量子限制。

“当您增加原子数时，所有这些原子给出的平均值将趋向于给出正确值的东西，”科伦坡说。

这就是为什么今天的原子钟被设计用来测量由成千上万种相同类型的原子组成的气体，以便估算其平均振荡的原因。典型的原子钟通过首先使用激光系统将超冷原子气体聚集到由激光形成的阱中来完成此任务。发送第二个非常稳定的激光，其频率接近原子的振动频率，以探测原子的振荡，从而跟踪时间。

但是，标准量子极限仍在起作用，这意味着即使在成千上万的原子之间，确切的原子频率仍然存在一些不确定性。这就是Vuletic和他的小组证明量子纠缠可能会有所帮助的地方。通常，量子纠缠描述了一种非经典的物理状态，其中，即使每个个体原子的行为都像硬币的随机抛掷一样，一组中的原子也显示出相关的测量结果。

研究小组认为，如果原子被纠缠，它们的个体振荡将在一个共同的频率附近收紧，并且与不被纠缠的情况相比，偏差较小。因此，原子钟可以测量的平均振荡将具有超出标准量子极限的精度。

纠结的时钟

Vuletic和他的同事在他们的新原子钟中缠结了350个atoms原子，这些y以与可见光相同的非常高的频率振荡，这意味着任何一个原子在一秒钟内的振动频率都比铯高100,000倍。如果的振荡能够被精确地追踪，科学家可以利用原子来区分更短的时间间隔。

该小组使用标准技术冷却原子并将其捕获在由两个反射镜形成的光学腔中。然后，他们通过激光腔发出激光，在激光腔之间反射镜与原子相互作用数千次。

Shu解释说：“就像光充当了原子之间的沟通纽带一样。”“看到此光的第一个原子将对光进行轻微的修改，并且该光还将对第二个原子和第三个原子进行修改，并且在许多循环中，这些原子相互了解并开始表现相似。”

通过这种方式，研究人员从量子上纠缠了原子，然后使用类似于现有原子钟的另一种激光来测量其平均频率。当该团队进行不纠缠原子的类似实验时，他们发现带有纠缠原子的原子钟达到了所需精度的四倍。

“通过测量更长的时间，您总是可以使时钟更精确，” Vuletic说。“问题是，您需要多长时间才能达到一定的精度。许多现象需要在快速的时间尺度上进行测量。”

他说，如果当今最先进的原子钟能够适应量子纠缠的原子的测量，它们不仅可以保持更好的时间，而且可以帮助解密宇宙中的信号，例如暗物质和引力波，并开始回答一些古老的问题。

“随着宇宙的老化，光速会发生变化吗？电子的电荷会改变吗？”Vuletic说。“这就是您可以使用更精确的原子钟进行探测的原因。”

参考：EdwinPedrozo-Peñafiel，Simone Colombo，Chi Shu，Albert F. Adiyatullin，李泽阳，Enrique Mendez，Boris Braverman，Akio Kawasaki，赤松大辅，萧彦宏和弗拉丹·弗拉蒂奇的“光学原子钟跃迁的纠缠”，12月16日2020年，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-3006-1

这项研究得到了DARPA，美国国家科学基金会和海军研究办公室的部分支持。