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《美国天体物理联合实验室（JILA）等机构研究人员开发新型光学原子钟，利用量子纠缠的原理来提高时间测量的精度》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-10-18

  • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的研究人员Fellow、NIST物理学家/科罗拉多大学博尔德分校物理学教授Adam Kaufman及其团队已经涉足原子和电子的微小领域。他们的研究涉及使用锶原子晶格创建一个先进的光学原子钟，通过量子纠缠增强，量子纠缠是一种将粒子命运联系在一起的现象。这个雄心勃勃的项目可能会彻底改变计时，有可能超越精度的“标准量子极限”。

    该团队与JILA和NIST研究员Jun Ye合作，10月9日在《Nature》期刊（DOI: 10.1038/s41586-024-07913-z）上强调了他们的发现，展示了他们的时钟在某些条件下如何超过传统的精度基准。他们的工作推进了计时，并为新的量子技术打开了大门，例如精确的环境传感器。

    这些时钟通过冷却和捕获原子并使用激光诱导能量跃迁，以极高的精度测量时间。然而，原子行为固有的不可预测性带来了局限性。量子纠缠提供了一种解决方案，使纠缠原子作为一个集体更可预测地发挥作用。

  • 原文来源：https://jila.colorado.edu/news-events/articles/jila-fellow-and-nist-physicist-adam-kaufman-combines-multiple-atomic-clocks
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  • 《美国天体物理联合实验室（JILA）等机构研究人员利用纠缠物质波，克服了标准量子极限（SQL）》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-10-10
    • 今天的传感技术，从原子钟到引力波探测器，在很大程度上依赖于精度，但从根本上受到标准量子极限（SQL）的限制。长期以来，这种对测量精度的限制一直是需要超精确检测的科学领域的障碍。在近日发表在《Physical Review A》上的一项研究中(https://doi.org/10.1103/PhysRevA.110.L041301)，来自美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合机构美国天体物理联合实验室（JILA）、NIST和科罗拉多大学量子物质理论中心的研究人员展示了一种使用纠缠物质波绕过这一障碍的新方法。通过仅操纵超冷原子的运动状态，而不是电子相互作用，该团队创建了一个高度可调的系统，可以产生纠缠，适用于更敏感的量子增强传感器。 通过动量态重新定义纠缠 纠缠是一种量子现象，其中粒子相互连接，这意味着即使相隔很远，一个粒子的状态也会瞬间影响另一个粒子。在量子传感中，纠缠对于超越测量精度的经典极限（称为标准量子极限（SQL））是必要的。这个限制限制了许多量子实验中可实现的精度。通过纠缠，科学家们希望减少测量中的不确定性，这可能会导致更精确的原子钟、引力波探测器和其他量子技术。 正如该研究所指出的那样，之前的研究通常依赖于纠缠原子的内部状态，例如它们的自旋或电子构型。然而，研究中详细介绍的这种新方法表明，原子动量态之间可以产生纠缠，为量子增强传感创造了一个完全不同的范式。 使用超冷原子腔系统，研究人员依靠腔内的原子运动如何导致腔光子的频率偏移。然后，这种转变以偶极力的形式反射回原子上，使它们相互作用。动量态之间的这些相互作用产生了一种可用于量子测量的纠缠形式，所有这些都不涉及电子相互作用。 调整原子运动以实现精确控制 在他们的实验装置中，原子被限制在光学腔中，该光学腔由相干驱动器泵浦，以特定速率注入光子。当原子在腔内移动时，它们与光子的相互作用会导致频率偏移，进而驱动腔的响应。这种动态在原子的动量态之间产生纠缠，使团队能够精确控制原子的集体运动。该系统具有高度可调性，这意味着研究人员可以调整各种参数来优化纠缠生成过程。 根据该团队的说法，这项实验的关键成就之一是演示了单轴扭转（OAT）动力学，这是一种压缩形式，可以降低一个测量方向的不确定性，同时增加另一个方向的不确定度。这种设置中的OAT动力学是由原子动量态之间的相互作用引起的，产生了一种集体运动，导致了计量上有用的纠缠。这意味着即使在存在噪声的情况下，该系统也可以实现SQL之外的精确测量。 SQL之外的传感技术转型 量子增强传感在广泛的领域具有潜在的应用，从基础物理实验到GPS和医学诊断等实用技术。研究指出，通过超越SQL，这项研究可能会带来更灵敏的探测器，能够以前所未有的精度测量引力场、磁场或其他物理性质的微小变化。 例如，在引力波探测中，必须测量时空中令人难以置信的微小变化，使用纠缠物质波可以实现更精确、更快的探测。同样，在依赖于基于原子振动的精确时间测量的原子钟中，降低测量不确定性可以显著提高其精度，从而带来更好的全球定位系统和电信技术。 一如既往，噪音是不可避免的 正如该团队所指出的那样，虽然这项研究对量子传感产生了影响，但在这种系统得到广泛部署之前，仍有一些挑战需要克服。主要限制之一是目前实验中使用的系统的大小。在这项研究中，研究人员使用了相对较少的原子和动量态。将这种方法扩展到更大的系统是必要的，以充分实现其在实际应用中的潜力。 此外，该系统仍然容易受到噪声和退相干的影响，这两者都会降低纠缠度并降低传感协议的有效性。未来的工作将需要专注于最大限度地减少这些影响，可能是通过改进纠错技术和更好地控制原子和光子相互作用。 纠缠物质波的精度未来 科罗拉多大学的团队所进行的研究可能为利用纠缠物质波进行量子增强传感提供新的可能性。通过超越依赖电子相互作用的传统方法，他们展示了一种可以提高各个领域测量精度的方法，特别是在更强大的量子传感器方面，其潜在应用范围从更精确的原子钟到更好的引力波探测器。随着量子传感领域的发展，控制和使用纠缠物质波的能力可能成为一个新的标准。 参与本研究的作者包括John Drew Wilson, Jarrod T. Reilly, Haoqing Zhang, Chengyi Luo, Anjun Chu, James K. Thompson, Ana Maria Rey, and Murray J. Holland。
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  • 《美国天体物理联合实验室（JILA）研究人员开发出世界上最精确的原子钟，推动物理学的新前沿》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-07-06
    • 在人类不断追求完美的过程中，科学家们开发出了一种比以前制造的任何时钟都更精确的原子钟。新时钟是由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合机构美国天体物理联合实验室（JILA）的研究人员建造的。 该时钟能够在广阔的空间中进行精确导航，并搜索新的粒子，是最新的超越计时的时钟。随着精度的提高，这些下一代计时器可以揭示隐藏的地下矿床，并以前所未有的严谨性测试广义相对论等基本理论。对于原子钟建筑师来说，这不仅仅是为了建造一个更好的时钟；这是关于揭开宇宙的秘密，为将塑造我们未来几代人的世界的技术铺平道路。 世界科学界正在考虑以这些下一代光学原子钟为基础，重新定义第二种时间单位，即国际时间单位。现有的一代原子钟用微波照射原子来测量秒。这一波新的时钟用频率高得多的可见光波照射原子，以更精确地计算秒数。与目前的微波钟相比，光学钟有望为国际计时提供更高的精度——可能每300亿年只损失一秒。 但在这些原子钟能够以如此高的精度运行之前，它们需要具有非常高的精度；换句话说，他们必须能够测量极小的一秒钟。实现高精度和高精度可能会产生巨大的影响。 困在时间里 新的JILA时钟使用一种被称为“光学晶格”的光网络来同时捕获和测量数以万计的单个原子。拥有如此大的合奏在精度上提供了巨大的优势。测量的原子越多，时钟就有越多的数据来精确测量秒。 为了实现新的破纪录性能，与以前的光学晶格时钟相比，JILA的研究人员使用了更浅、更温和的激光“网”来捕获原子。这大大减少了两个主要的误差来源——捕获原子的激光效应，以及当原子堆积得太紧时相互碰撞的效应。 研究人员在《Physical Review Letters》期刊上描述了他们的进展。 在最小尺度上计时相对论 NIST和JILA物理学家Jun Ye表示：“这个时钟非常精确，即使在微观尺度上，也能探测到广义相对论等理论预测的微小效应。它正在突破计时的极限。” 广义相对论是爱因斯坦的理论，描述了引力是如何由空间和时间的扭曲引起的。广义相对论的一个关键预测是，时间本身受到引力的影响——引力场越强，时间过得越慢。 这种新的时钟设计可以在亚毫米级（大约一根头发的厚度）检测相对论性对计时的影响。将时钟升高或降低这么小的距离，就足以让研究人员辨别出重力效应引起的时间流动的微小变化。 这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力可以显著弥合微观量子领域与广义相对论所描述的大规模现象之间的差距。 太空导航与量子进展 更精确的原子钟还可以实现更精确的太空导航和探索。随着人类冒险深入太阳系，时钟将需要在很远的距离上保持精确的时间。即使是计时中的微小错误也会导致导航错误，而导航错误会随着你走得更远而呈指数级增长。 叶说：“如果我们想让航天器以精确的精度降落在火星上，我们需要比现在的GPS精确几个数量级的时钟。这个新时钟是实现这一目标的重要一步。” 用于捕获和控制原子的相同方法也可能在量子计算方面取得突破。量子计算机需要能够精确地操纵单个原子或分子的内部性质来进行计算。控制和测量微观量子系统的进展大大推动了这一努力。 通过冒险进入量子力学和广义相对论交叉的微观领域，研究人员正在为了解现实本身的基本性质打开一扇新的大门。从时间流被引力扭曲的无穷小尺度，到暗物质和暗能量占据主导地位的广阔宇宙边界，这只钟的精密度有望揭示宇宙中一些最深的奥秘。 “我们正在探索测量科学的前沿，”Ye表示。“当你能够以这种精度测量事物时，你就会开始看到我们迄今为止只能理论化的现象。”
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