利用量子糾纏，科學家研發出完美時鐘，精度超過原子鐘和光學鍾

物理學家們曾想象着有一天能夠設計出一個非常精確的時鐘，它可以探測出時空中的細微擾動，或者用來它來發現那難以捉摸的暗物質。從前的夢想也許很快就要實現了，科學家們已經創造出了一種時鐘，經過後續的稍加調整，它將比世界上最好的時鐘還要精確4到5倍。

“原子鐘”的出現

“原子鐘”曾是人類最精確的儀器，自20世紀60年代以來，負責記錄全球時間和定義“一秒”的原子鐘就是以銫原子為基礎，它是用微波轟擊銫原子，並測量電子從較低能級（稱為基態）向較高能級（激發態）振盪時的時間。

比“原子鐘”更精確的“光學鍾”

在過去的十年裏，研究人員又開發出了比銫原子鐘精確100倍的“光學鍾”。這種時鐘使用激光或可見光來激發鋁或鐿等元素的原子，可見光的頻率比微波高，因此可以激發原子振盪的速度比微波激發銫原子的速度快10萬倍。這種更快的振盪為每秒的測量增加了更多的數據點，所以更加精確。

“光學鍾”受限於量子力學

但是近乎完美的光學鍾也不能完美地測量時間，因為它們受制於量子力學的規則，運行時鐘的原子是如此之小，以至於無法精確其固定狀態，它們由概率定義，所以電子不是處於激發態或基態，而是同時處於多個能級。

即便是增加數量取平均值，也無法突破量子極限

試圖測量單個原子的狀態類似於擲硬幣，因為實際的測量“迫使”原子選擇基態或激發態，但兩者之間的狀態無法測量。 測量的不確定性使得無法計算出完美的時間。當增加時鐘中的原子數量（相當於增加拋硬幣的數量），並開始取多少個被激發的原子和不被激發的原子的平均值時，測量就變得更加精確。添加的原子越多，測量不確定性的誤差就越小，比如投擲10,000個硬幣要比投擲100個硬幣測量的數值精確10倍， 這就是為什麼如今的光學時鐘要通過數千個原子的振盪來測量平均時間的原因。但是，即使是這種方法也不能擺脱量子極限。

十年前，科學家們曾有一個克服這一侷限的方案

十年前，塞爾維亞貝爾格萊德大學的研究人員對如何克服這一侷限有了一個想法，就是糾纏粒子。通過糾纏保留時間的原子，科學家或許能夠使每對糾纏原子保持相同的狀態，並以相似的頻率振盪，使時鐘能夠克服量子極限，從而更精確地測量時間。這類似於將100個硬幣放在桌子上，50個正面朝上和50個反面朝上，在不觀察的情況下隨便撿起一個硬幣，則硬幣的正面或反面都是隨機的；但是一旦拾起所有硬幣，正面和反面的數目就會完全相等，就相當於這個道理。

十年前的想法付之實踐

現在，十年前的想法終於付之實踐了，為此，科研團隊在兩面鏡子之間放置了350個鐿原子。然後，他們發射了一束在鏡子之間來回反彈的激光束，當光撞擊第一個原子時，原子改變了光。然後，該光又改變了第二個原子，接着改變了第三個原子，最後改變了其餘所有的原子，直到它們全部糾纏並開始以相似的相位振盪。緊接着，研究小組使用另一台激光儀測量了這些原子振盪的平均頻率。

當團隊進行兩個實驗時（一個有糾纏的原子，另一個沒有糾纏的原子），他們發現糾纏的原子能夠以相同的精度測量時間，但速度卻快了四倍。他們還發現，當兩個時鐘測量的時間相同時，糾纏的時鐘更為精確。

不過科研團隊仍有一些調整要做，目前他們使用的激光穩定度不是很理想，因此時鐘不能完全達到不使用糾纏的最佳時鐘的性能水平，通過對激光器進行調整，使用糾纏的原子有可能會令時鐘更為精確。

精確的時鐘將會超出時間的應用範圍

未來，該團隊還希望證明，通過使用多個原子鐘，並利用從量子糾纏中獲得的優勢，讓測量時間變得更加完美，而且極精確的時鐘可能會超出時間的應用範圍。

根據相對論我們知道，大質量物體（引力更高）會扭曲時空，從而減慢了時間；試想一下，如果有兩個時鐘，我們將其中一個時鐘放在有質量的物體附近並抬高几米，則在這兩個高度上，時間實際上會有所不同，只是十分的微小，但隨着這些時鐘變得越來越精確，到那時，它們很可能會檢測出時間是如何變化的，從而檢測出宇宙中微妙的引力效應，例如被稱為引力波的時空波動。並且理論中，暗物質也會施加引力，因此時間的微小變化可能揭示出我們周圍暗物質的本質。