新型原子鐘能運行 140 億年誤差不到 0.1 秒
發布者:成都同相科技有限公司  作者:  發布時間:2020-12-18  瀏覽量:866次

       原子鐘是我們今天所擁有的最準確的計時工具,最精準的原子鐘150億年的誤差不超過一秒。但總是有改進的空間,麻省理工學院(MIT)的研究人員現在已經用一種新的量子糾纏原子鐘證明了這一點。

      原子以如此精確可靠的模式振動,以至于你可以根據它們來設置手表--這正是原子鐘的作用。這些時計使用激光來測量這些振蕩,得出的時間精確到足以制定國家和國際標準。例如,銫133的共振頻率為9,192,631,770Hz,而且非常穩定,自1968年以來,這種模式已正式定義了秒。

      現在,麻省理工學院的一個物理學家團隊設計出了一種新型的原子鐘,它可以進一步推動精度的極限。理想情況下,跟蹤單個原子的振動應該能最精確地保持時間,但不幸的是,隨機的量子波動會使測量結果混亂。這就是所謂的標準量子極限。因此,量子鐘通常會追蹤一種由數千個相同類型的原子組成的氣體--傳統上是銫,不過近年來鐿正在成為新的領跑者。這些原子幾乎被冷卻到絕對零度,然后用激光器固定在原地,同時另一個激光器測量它們的振蕩。通過取許多原子的平均值,可以得出更準確的答案。標準量子極限的影響可能會減少,但不能完全消除。麻省理工學院團隊的新原子鐘進一步降低了影響,這要歸功于量子糾纏。這聽起來有些不可思議,但在某些情況下,原子可以變得如此糾纏,以至于測量其中一個原子的狀態可以瞬間改變其伴侶的狀態--無論它們相隔多遠。這就是所謂的量子糾纏,新的時鐘利用這種現象實現了更高精度的計時。

       研究人員從大約350個鐿-171原子(稀土元素)開始,這種原子的振蕩速度甚至比銫還要快。這些原子被困在兩個鏡子之間的光腔中,然后用激光照射到光腔中,使原子發生量子糾纏?!斑@就像光作為原子之間的溝通紐帶,”該研究的共同作者Chi Shu說?!暗谝粋€原子看到這道光,會稍微修改一下光,這道光也會修改第二個原子,第三個原子,通過許多循環,原子們共同認識對方,并開始表現得相似?!币坏┰颖患m纏在一起,第二道激光就會照射到云層中,測量它們的平均頻率。研究小組發現,這種方法創建的時鐘可以達到特定的精度,比使用非糾纏原子的類似時鐘快四倍。

      研究人員表示,這種方法可以使原子鐘變得如此精確,以至于在整個宇宙時代之后,它們仍然會有不到100毫秒的不同步。另外,它們還可以幫助科學家研究一些物理學中最大的未解問題,比如暗物質、引力波,以及物理學規則是否會隨著時間而改變。

   “隨著宇宙的老化,光速是否會發生變化?”該研究的共同作者Vladan Vuletic說。"電子的電荷是否會發生變化?這都可以用更精確的原子鐘來探究的。"

     這項研究發表在《自然》雜志上。


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