在日常生活中，无论是查看手机时间、进行在线交易还是使用导航应用，我们都在依赖原子钟的精确计时。原子钟通过追踪原子自然振荡的'滴答'声来保持时间，这些振荡以极其稳定的频率进行。目前，原子钟主要依靠铯原子进行计时，其'滴答'频率超过每秒100亿次。科学家们正在开发下一代原子钟，利用如镱原子等更快振荡的原子，这些原子可以通过更高频率的激光进行追踪，理论上能够测量高达每秒100万亿次的时间间隔。
量子噪声：原子钟精度的隐形障碍
麻省理工学院(MIT)的物理学家们近日发现了一种提高光学原子钟稳定性的方法，通过减少'量子噪声'——一种由量子力学效应引起的根本性测量限制，这种噪声会掩盖原子的纯振荡。此外，研究团队还发现，时钟激光对原子的一种先前被认为无关紧要的效应，实际上可以用来进一步稳定激光。
研究人员开发了一种方法，利用激光在镱原子中诱导的'全局相位'，并通过量子放大技术增强了这一效应。这种方法使光学原子钟的精度提高了一倍，使其能够比没有此方法的相同设置每秒识别多一倍的'滴答'次数。更重要的是，他们预计该方法的精度应随着原子钟中原子数量的增加而稳步提高。
"这些时钟正被用于探测暗物质和暗能量，测试是否真的只有四种基本力，甚至探索这些时钟是否能预测地震，"该研究的作者、MIT物理学Lester Wolfe教授Vladan Vuletić表示："我们认为我们的方法可以帮助使这些时钟变得可携带并可部署到需要的地方。"
从量子纠缠到全局相位：技术演进的关键
在2020年，Vuletić和他的团队已经证明，通过量子纠缠时钟中的原子，可以使原子钟更加精确。量子纠缠是一种使粒子以集体、高度相关方式表现的现象。当原子被量子纠缠时，它们会重新分配任何噪声，或测量原子振荡的不确定性，从而显示出更清晰、更可测量的'滴答'声。
在那项工作中，团队在由两个曲面镜形成的空腔中冷却并 trapping了几百个镱原子，诱导它们量子纠缠。他们将激光送入空腔，激光在镜子之间反弹数千次，与原子相互作用并使整个原子系综纠缠。他们能够证明量子纠缠本质上可以减少噪声，或激光与原子滴答率之间的不确定性，从而提高现有原子钟的精度。
然而，当时团队受到时钟激光滴答不稳定性的限制。在2022年，同一团队通过'时间反转'进一步放大了激光与原子滴答率的差异——这是一种依赖于纠缠和解纠缠原子以增强中间获取信号的技巧。
"当原子以每秒100万亿次的速度滴答时，这比微波的频率快10,000倍，"Vuletić解释道："我们当时不知道如何将这些方法应用于更难保持稳定的高频光学时钟。"
全局相位光谱学：突破性技术
在新的研究中，团队找到了将先前开发的时间反转方法应用于光学原子钟的途径。他们发送一个在纠缠原子光学频率附近振荡的激光。
"激光最终继承了原子的滴答声，"第一作者Zaporski表示："但为了使这种继承能够长期保持，激光必须相当稳定。"
研究人员发现，他们可以利用科学家们一直认为对时钟操作无关紧要的现象来提高光学原子钟的稳定性。他们意识到，当光穿过纠缠原子时，这种相互作用会导致原子跃迁到更高的能级，然后回落到原始能态，但仍携带关于其往返过程的信息。
"人们可能会认为我们什么都没做，"Vuletić说："你得到了原子的全局相位，这通常被认为是不相关的。但这个全局相位包含关于激光频率的信息。"
换句话说，他们意识到激光在原子中引起了一种可测量的变化，尽管使原子回到了原始能态，而这种变化的幅度取决于激光的频率。
"最终，我们正在寻找激光频率与原子跃迁频率之间的差异，"合著者Liu解释道："当这种差异很小时，它会被量子噪声淹没。我们的方法将这种差异放大到量子噪声之上。"
实验验证与未来应用
在实验中，团队应用了这种方法，发现通过纠缠他们能够将光学原子钟的精度提高一倍。
"我们看到我们现在可以解析光学频率或时钟滴答频率的几乎两倍小的差异，而不会遇到量子噪声极限，"Zaporski表示："尽管运行原子钟通常是一个难题，但我们方法的工程优势将使其变得更容易，我们认为这可以实现稳定、可携带的原子钟。"
这项研究由美国海军研究办公室、国家科学基金会、美国国防高级研究计划局、美国能源部、美国科学办公室、国家量子信息科学研究中心和量子系统加速器部分支持。
技术突破的意义
这项技术突破的意义远超单纯的计时精度提升。可携带的高精度光学原子钟将在多个领域产生深远影响：
基础物理学研究：能够更精确地测试基本物理常数是否随时间变化，为寻找第五种基本力提供更灵敏的探测器。
暗物质与暗能量探测：高精度原子钟可以检测到由暗物质或暗能量引起的时空微小扭曲，为这些宇宙奥秘提供新的研究途径。
地质监测：通过监测地球引力场的微小变化，可能实现地震等自然灾害的早期预警。
全球定位系统(GPS)改进：更精确的计时将显著提高GPS系统的定位精度，为自动驾驶、精密农业等应用提供支持。
量子网络：高精度原子钟可作为量子网络的关键节点，为未来量子互联网奠定基础。
技术挑战与未来方向
尽管这项技术取得了显著突破，但要实现真正可携带的光学原子钟仍面临一些挑战：
环境稳定性：光学原子钟对外部环境变化极为敏感，需要开发更有效的屏蔽技术。
能源效率：现有系统的能耗较高，需要优化以实现便携应用。
小型化：需要进一步缩小系统尺寸，使其能够集成到移动平台中。
长期稳定性：确保原子钟在长时间运行和运输过程中保持精度。
未来研究将集中在解决这些挑战上，同时探索更多量子放大技术应用于原子钟的可能性。随着量子技术的不断发展，我们有望看到更小、更精确、更便携的原子钟出现在各种应用场景中，为科学研究、工业生产和日常生活带来革命性的变化。
结论
MIT研究人员开发的'全局相位光谱学'技术代表了原子钟技术的重要进步。通过巧妙利用量子效应和激光-原子相互作用，这一方法不仅显著提高了原子钟的精度，还为开发可携带的高精度计时设备铺平了道路。随着这项技术的不断完善，它将在基础科学研究、技术应用和日常生活中发挥越来越重要的作用，推动人类对时间和空间本质认识的不断深入。
