手机报时、在线交易、卫星导航——这些日常功能都离不开原子钟的精准计时。
原子钟通过追踪原子自然振荡的稳定频率来计时。现代原子钟追踪铯原子每秒超过100亿次的振荡，利用微波频段激光器实现精准同步。
科学家正研发新一代光学原子钟，通过追踪镱等振荡频率更高的原子（每秒可达100万亿次），有望实现更精细的时间测量。
近日，麻省理工学院（MIT）物理学家成功找到提升光学原子钟稳定性的方法——通过抑制"量子噪声"（量子力学效应导致的基本测量局限，这种噪声会干扰原子的纯净振荡）。研究团队还发现，此前被认为无关紧要的时钟激光对原子的某种效应，实际上可用于进一步增强激光稳定性。
研究人员开发出一种利用镱原子中激光诱导"全局相位"的新方法，并通过量子放大技术强化该效应。这项创新方案使光学原子钟的精度提升一倍，在相同装置下每秒可识别的振荡次数达到原有水平的两倍。更值得关注的是，他们预测该方法的精度将随着原子钟内原子数量的增加而持续提升。
研究人员将这种方法命名为"全局相位光谱法"，并在《Nature》期刊中发表了相关研究（Quantum-amplified global-phase spectroscopy on an optical clock transition，DOI：10.1038/s41586-025-09578-8）。他们预测，这项时钟稳定技术未来有望催生便携式光学原子钟，可被运送至不同地点用于探测各类物理现象。
"科学家正试图通过这类高精度时钟探测暗物质与暗能量，验证宇宙是否仅存在四种基本作用力，甚至探索地震预测的可能性，"研究作者、麻省理工学院Lester Wolfe物理学教授Vladan Vuleti?表示，"我们相信这项技术能推动原子钟向便携化发展，使其能够部署至实际需要的应用场景。"
论文合著者包括Leon Zaporski、刘琦（Qi Liu）、Gustavo Velez、Matthew Radzihovsky、李泽阳（Zeyang Li）、Simone Colombo与Edwin Pedrozo-Pe?afiel，他们均为MIT-哈佛超冷原子中心及MIT电子学研究实验室成员。
精准计时之路
2020年，Vuleti?与研究团队通过量子纠缠技术实现了原子钟精度的突破。量子纠缠能使粒子呈现高度关联的集体行为，当原子形成量子纠缠态时，测量原子振荡产生的噪声或不确定性会重新分布，从而呈现出更清晰可测的"振荡信号"。
在早期实验中，团队将数百个镱原子冷却并捕获于由两面曲面镜构成的空腔中，通过向空腔注入激光使其在镜面间反复反射，与原子相互作用诱导出纠缠态。研究表明，量子纠缠能有效降低激光与原子振荡频率比对时的不确定性，从而提升现有原子钟的精度。
然而当时团队受限于时钟激光器的振荡稳定性。2022年，该团队开发出"时间反演"技术，通过原子的纠缠与解纠缠过程放大激光与原子振荡的频率差异信号。
但当时实验仍采用传统微波技术，其振荡频率远低于镱原子所能提供的光学频率标准。这好比精心拂去画作表面的灰尘后，却用低分辨率相机进行拍摄。
Vuleti?指出："原子每秒100万亿次的振荡频率，比微波频率快10000倍。我们当时尚未掌握将这些方法应用于更难保持稳定的高频光学原子钟的技术。"
相位研究突破
在这项新研究中，团队成功将先前开发的"时间反演"方法应用于光学原子钟。他们向处于纠缠态的原子发射频率接近其光学振荡的激光。
"激光最终会继承原子的振荡节拍，"第一作者Zaporski解释道，"但要使这种继承关系长期保持，激光本身必须具有极高的稳定性。"
研究人员发现，他们可以利用一个曾被科学界认为对时钟运行无关紧要的现象来提升光学原子钟的稳定性。他们意识到，当激光穿过纠缠原子时，相互作用会使原子能量先跃升后回落至原始能级，但原子仍保留着这段循环过程的记忆。
"表面看来似乎什么都没发生，"Vuleti?表示，"原子获得的这种全局相位通常被认为没有意义，但实际上这个全局相位包含着激光频率的信息。"
换言之，研究团队发现尽管激光使原子回归原始能级，但仍会引发可测量的原子变化，且变化幅度与激光频率密切相关。
"本质上我们是在探测激光频率与原子跃迁频率的差值，"合著者Liu解释道，"当这个差值很小时，就会被量子噪声淹没。我们的方法能将这个差值放大到量子噪声之上。"
实验结果显示，通过结合量子纠缠技术，该新方法使光学原子钟的测量精度提升了一倍。
Zaporski指出："我们现在能够分辨出比量子噪声极限更细微的光学频率差异——也就是钟振频率差异，分辨率提高近两倍。尽管运行原子钟本身仍是复杂挑战，但我们的方法能有效降低技术难度，为制造稳定便携的原子钟铺平道路。"
本研究获得了美国海军研究办公室、国家科学基金会、国防高级研究计划局、能源部、科学办公室、国家量子信息科学研究中心及量子系统加速器等多方支持。
