原子钟与量子计算机融合,精准测量自然规律

物理学家喜欢测量事物,并且他们希望这些测量尽可能精确。这意味着要在深不可测的小尺度上工作,在那里,距离甚至比亚原子粒子的直径小得多。研究人员还希望将时间测量精度提高到每数百亿年不到一秒。在物理学中,对这些超精确测量的追求是一个不断发展的领域,即量子计量学的一部分。

现在,正如《自然》杂志上所报道的那样,由物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯(Manuel Endres)领导的加州理工学院团队开发了一种新设备,这可能会带来一些有史以来最为精确的时间测量结果。该方法将最先进的原子钟与量子计算机相结合。

“我们的目标是达到自然界允许的最终精度,”恩德雷斯说。“我们现在已经展示了实现这一目标的基础要素。”该研究的主要作者是前加州理工学院博士后学者兰·芬克尔斯坦(Ran Finkelstein),现就职于特拉维夫大学,以及加州理工学院的研究生理查德·炳顺·蔡(Richard Bing-Shiun Tsai)和孙向凯(Xiangkai Sun)。

这种能够实现这些精确时间测量的设备将帮助物理学家更好地探索自然规律,例如阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论,并研究一些物理学中最棘手的问题,例如暗物质的性质。这种详细的测量对于探测引力波(时空里最安静的涟漪)也是必需的。(由加州理工学院和麻省理工学院管理的激光干涉引力波天文台 LIGO 最近在量子计量学方面取得了自己的里程碑。)

此前,恩德雷斯的团队开发了“镊子钟”,它由中性锶原子阵列构成,其中每个原子均由激光(镊子)单独控制。就其本身而言,镊子钟在标记时间流逝方面非常精确。在这项新研究中,研究人员展示了怎样在镊子钟中进行量子计算,从而让时钟更加精确。

“原子钟利用量子力学来测量时间,而量子计算机利用量子力学来进行计算,”恩德斯说。“在这里,我们正致力于两者的交界领域。”

挑战在于让镊子钟阵列中的原子产生纠缠。纠缠是一种发生在量子尺度的现象,其中粒子在没有直接接触的情况下相互关联。“如果原子发生纠缠,你可以达到更高的精度,”恩德斯说,“但我们需要一种极为特殊且复杂形式的纠缠。”

这项新研究表明,这种纠缠是可行的,并且总体而言,量子计算机可以与诸如原子钟之类的量子传感器集成。在未来,研究人员希望进一步减少系统中的误差,让他们的时钟更接近理论精度的极限。