來自經(jīng)典世界的噪音可以迅速壓倒小的原子振動，另外還使這些振蕩的任何變化都難以檢測到，這是改進(jìn)量子測量的一個重要障礙。

然而麻省理工學(xué)院(MIT)的物理學(xué)家們最近證明，他們可以通過讓粒子經(jīng)歷兩個關(guān)鍵過程來大幅放大原子振動中的量子變化：量子糾纏和時間反轉(zhuǎn)。

【資料圖】

科學(xué)家們強(qiáng)迫那些被量子糾纏的原子在時間上向后演化一樣。原子振蕩的任何改變都會被放大并且很容易被監(jiān)測到，這是因?yàn)檠芯咳藛T基本上是將原子振蕩的磁帶倒轉(zhuǎn)。

在7月14日發(fā)表在《Nature Physics》上的研究中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)證明了這種技術(shù)，他們將其命名為SATIN（通過時間逆轉(zhuǎn)進(jìn)行信號放大），這是迄今為止開發(fā)的測量量子波動的最敏感方法。

這項(xiàng)技術(shù)可以將當(dāng)今最先進(jìn)的原子鐘的精確度提高15倍，并使它們的時間非常精確，以至于在整個宇宙時代，這些鐘的誤差將能小于20毫秒。另外，該技術(shù)還可用于進(jìn)一步銳化旨在探測引力波、暗物質(zhì)和其他物理現(xiàn)象的量子傳感器。

“我們認(rèn)為這是未來的范式，”這項(xiàng)研究的論文第一作者Vladan Vuletic說道，“任何對許多原子起作用的量子干擾都可以從這項(xiàng)技術(shù)中獲益。”

該研究的MIT合作者包括第一作者Simone Colombo、Edwin Pedrozo-Pe?afiel、Albert Adiyatullin、Zeyang Li、Enrique Mendez和Chi Shu。

糾纏計(jì)時員

一種特定類型的原子以一種特殊而恒定的頻率振動，如果測量得當(dāng)可以作為一個非常精確的鐘擺，在比廚房時鐘的秒數(shù)更短的時間間隔內(nèi)保持時間。但在單個原子的尺度上，量子力學(xué)定律占據(jù)了上風(fēng)，原子的振蕩就像每次翻轉(zhuǎn)的硬幣面一樣變化。只有通過對一個原子進(jìn)行多次測量，科學(xué)家才能得到其實(shí)際振蕩的估計(jì)值--這種限制被稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

在最先進(jìn)的原子鐘中，物理學(xué)家多次測量成千上萬個超冷原子的振蕩以增加他們獲得準(zhǔn)確測量的機(jī)會。盡管如此，這些系統(tǒng)仍有一些不確定性，它們的計(jì)時可以更加精確。

2020年，Vuletic的研究小組表明，當(dāng)前原子鐘的精度可以通過糾纏原子來提高--這是一種量子現(xiàn)象，通過這種現(xiàn)象，粒子被脅迫在一個集體的、高度相關(guān)的狀態(tài)下行事。在這種糾纏狀態(tài)下，單個原子的振蕩應(yīng)該轉(zhuǎn)向一個共同的頻率，這樣就可以用更少的嘗試來準(zhǔn)確測量。

Vuletic說道：“在當(dāng)時，我們?nèi)允芟抻谖覀兡茏x出時鐘相位的程度。”

也就是說，用于測量原子振蕩的工具不夠敏感，以至于無法讀出或測量原子集體振蕩的任何微妙變化。

倒轉(zhuǎn)符號

在新研究中，該研究團(tuán)隊(duì)沒有試圖提高現(xiàn)有讀出工具的分辨率，而是尋求提高來自任何振蕩變化的信號從而使它們能夠被當(dāng)前的工具讀出。他們通過利用量子力學(xué)中另一個奇怪的現(xiàn)象來做到這一點(diǎn)：時間反轉(zhuǎn)。

研究人員們認(rèn)為，一個純粹的量子系統(tǒng)如一組完全跟日常經(jīng)典噪聲隔離的原子，應(yīng)該以可預(yù)測的方式向前演化，而原子的相互作用應(yīng)該由系統(tǒng)的 哈密頓算符精確描述--本質(zhì)上，是對系統(tǒng)總能量的數(shù)學(xué)描述。

在20世紀(jì)80年代，理論家們預(yù)言，如果一個系統(tǒng)的哈密頓學(xué)說被顛倒過來并讓同一個量子系統(tǒng)去演化，就好像這個系統(tǒng)回到了過去一樣。

“在量子力學(xué)中，如果你知道哈密頓算符，那么你就可以通過時間來追蹤系統(tǒng)正在做什么，就像一個量子軌跡，”Pedrozo-Pe?afiel解說道：“如果這種演化是完全量子化的，量子力學(xué)告訴你，你可以去演化或回到初始狀態(tài)。”

“而這個想法是，如果你能逆轉(zhuǎn)哈密頓算符的信號，那么如果你回到過去，系統(tǒng)向前演變后發(fā)生的每一個小擾動都會被放大，”Colombo補(bǔ)充道。

據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)研究了400個超冷的鐿原子，這是今天的原子鐘中使用的兩種原子類型之一。他們將原子冷卻到僅高于絕對零度的溫度。在這個溫度下，大多數(shù)經(jīng)典效應(yīng)如熱量都會消失，原子的行為完全受量子效應(yīng)支配。

研究小組使用一套激光器系統(tǒng)來捕獲原子，然后發(fā)出帶藍(lán)色的“糾纏”光迫使原子在相關(guān)的狀態(tài)下進(jìn)行振蕩。他們讓糾纏的原子在時間上向前發(fā)展，然后將它們暴露在一個小的磁場中，這引入了一個微小的量子變化并稍微改變了原子的集體震蕩。

這種轉(zhuǎn)變不可能用現(xiàn)有的測量工具來檢測。相反，研究小組應(yīng)用時間逆轉(zhuǎn)來提高這一量子信號。為了做到這一點(diǎn)，他們發(fā)送了另一個紅色的激光以刺激原子分離，就像它們在時間上向后演變一樣。

然后，他們測量了粒子的振蕩，因?yàn)樗鼈兓氐搅宋醇m纏的狀態(tài)并發(fā)現(xiàn)它們的最終階段跟初始階段明顯不同--這清楚地證明了在它們向前演變的某個地方發(fā)生了量子變化。

研究小組重復(fù)了這個實(shí)驗(yàn)數(shù)千次，云層范圍從50到400個原子，每次都觀察到預(yù)期的量子信號的放大。他們發(fā)現(xiàn)他們的糾纏系統(tǒng)比類似的未糾纏的原子系統(tǒng)要敏感14倍。如果他們的系統(tǒng)被應(yīng)用于目前最先進(jìn)的原子鐘，那么它將減少這些時鐘所需的測量次數(shù)--減少15倍。

展望未來，研究人員希望在原子鐘上測試他們的方法及在量子傳感器中測試暗物質(zhì)等。

Vuletic說道：“漂浮在地球上的一團(tuán)暗物質(zhì)可以改變當(dāng)?shù)氐臅r間，一些人所做的是將澳大利亞的時鐘跟歐洲和美國的其他時鐘進(jìn)行比較，看看他們是否能夠發(fā)現(xiàn)時間流逝方式的突然變化。我們的技術(shù)正好適合于此，因?yàn)槟惚仨殰y量云層飛過時快速變化的時間變化。”