來自經(jīng)典世界的噪聲可以迅速淹沒微小的原子振動，此外還使這些振動的任何變化難以檢測，這是改進量子測量的重大障礙。

然而，麻省理工學院(MIT) 的物理學家最近證明，他們可以通過使粒子經(jīng)歷兩個關(guān)鍵過程：量子糾纏和時間反轉(zhuǎn)，極大地放大原子振動的量子變化。

【資料圖】

科學家迫使這些量子糾纏的原子在時間上向后演化。原子振蕩的任何變化都會被放大并且很容易監(jiān)測，因為研究人員基本上顛倒了原子振蕩的磁帶。

在7 月14 日發(fā)表的第《Nature Physics》 號研究中，科學家團隊證明了這項被他們命名為SATIN（通過時間反轉(zhuǎn)進行信號放大）的技術(shù)是迄今為止最靈敏的測量量子漲落的技術(shù)。方法。

這項技術(shù)可以將當今最先進原子鐘的精度提高15 倍，并使其精確到在整個宇宙紀元中的誤差小于20 毫秒。此外，該技術(shù)還可用于進一步增強用于檢測引力波、暗物質(zhì)和其他物理現(xiàn)象的量子傳感器。

該研究的第一作者Vladan Vuletic 表示：“我們認為這是未來的范例?！?“任何作用于許多原子的量子干涉都可以從這項技術(shù)中受益。”

麻省理工學院這項研究的合作者包括第一作者Simone Colombo、Edwin Pedrozo-Peafiel、Albert Adiyatullin、Zeyang Li、Enrique Mendez 和Chi Shu。

糾纏計時員

一種特定類型的原子以特殊且恒定的頻率振動，如果測量正確，可以充當非常精確的鐘擺，保持時間間隔比廚房時鐘的秒數(shù)短。但在單個原子的尺度上，量子力學定律占據(jù)主導地位，原子的振蕩就像硬幣的正面一樣隨著每次翻轉(zhuǎn)而改變。只有通過對原子進行多次測量，科學家才能估計其實際振蕩——這一極限稱為標準量子極限。

在最先進的原子鐘中，物理學家多次測量數(shù)千個超冷原子的振蕩，以增加獲得準確測量結(jié)果的機會。盡管如此，這些系統(tǒng)仍然存在一些不確定性，它們的時間安排可能會更加精確。

2020 年，Vuletic 的研究團隊表明，當前原子鐘的準確性可以通過原子糾纏來提高——這是一種量子現(xiàn)象，粒子被迫以集體、高度相關(guān)的狀態(tài)運行。在這種糾纏狀態(tài)下，單個原子的振蕩應該轉(zhuǎn)移到一個共同的頻率，這樣可以通過更少的嘗試來準確測量。

“當時，我們?nèi)匀皇艿綍r鐘相位讀取能力的限制，”Vuletic 說。

也就是說，用于測量原子振蕩的工具不夠靈敏，無法讀取或測量原子集體振蕩的任何細微變化。

反向符號

在這項新研究中，研究團隊并沒有試圖提高現(xiàn)有讀出工具的分辨率，而是試圖改善任何振蕩變化的信號，以便可以通過當前的工具讀出它們。他們通過利用量子力學中的另一個奇怪現(xiàn)象：時間反轉(zhuǎn)來做到這一點。

研究人員認為，一個純粹的量子系統(tǒng)，例如一組完全與日常經(jīng)典噪聲隔離的原子，應該以可預測的方式向前演化，并且原子的相互作用應該由系統(tǒng)的哈密頓算子準確描述——本質(zhì)上，是一個系統(tǒng)總能量的數(shù)學描述。

在20 世紀80 年代，理論學家預測，如果一個系統(tǒng)的哈密頓主義被逆轉(zhuǎn)，并且允許相同的量子系統(tǒng)演化，那么該系統(tǒng)就好像回到了過去。

“在量子力學中，如果你知道哈密頓量，那么你就可以跟蹤系統(tǒng)隨時間的變化，就像量子軌跡一樣，”佩德羅佐-佩納菲爾解釋道。 “如果這種進化是完全量子化的，量子力學告訴你，你可以進化或回到原始狀態(tài)。”

“這個想法是，如果你能逆轉(zhuǎn)哈密頓量的信號，那么如果你回到過去，系統(tǒng)向前演化時發(fā)生的每一個小擾動都會被放大，”科倫坡補充道。

據(jù)了解，該團隊研究了400 個超冷鐿原子，鐿是當今原子鐘使用的兩種原子之一。他們將原子冷卻到略高于絕對零的溫度。在這個溫度下，大多數(shù)經(jīng)典效應（例如熱）消失，原子的行為完全受量子效應控制。

研究小組使用激光系統(tǒng)捕獲原子，然后發(fā)射藍色“糾纏”光，迫使原子在相關(guān)狀態(tài)下振蕩。他們將糾纏的原子及時向前移動，然后將它們暴露在一個小磁場中，這引入了微小的量子變化并稍微改變了原子的集體振蕩。

使用現(xiàn)有的測量工具無法檢測到這種轉(zhuǎn)變。相反，該團隊應用時間反轉(zhuǎn)來增強這種量子信號。為此，他們發(fā)射了另一束紅色激光來刺激原子在時間向后演化時分離。

然后，他們測量了粒子回到非糾纏狀態(tài)時的振蕩，發(fā)現(xiàn)它們的最終階段與初始階段顯著不同——清楚的證據(jù)表明，在它們進化的過程中，量子變化已經(jīng)發(fā)生。

研究小組重復了數(shù)千次實驗，云的原子數(shù)量從50 到400 個不等，每次都觀察到量子信號的預期放大。他們發(fā)現(xiàn)，他們的糾纏系統(tǒng)比類似的非糾纏原子系統(tǒng)靈敏14 倍。如果他們的系統(tǒng)應用于當前最先進的原子鐘，這些時鐘所需的測量次數(shù)將減少15 倍。

展望未來，研究人員希望在原子鐘和量子傳感器中的暗物質(zhì)等方面測試他們的方法。

“漂浮在地球周圍的一團暗物質(zhì)可能會改變當?shù)貢r間，”Vuletic 說。 “有些人所做的就是將澳大利亞的時鐘與歐洲和美國的其他時鐘進行比較，看看它們是否能夠檢測到時間流逝方式的突然變化?！拔覀兊募夹g(shù)非常適合這一點，因為你必須測量快速變化的時間。云彩經(jīng)過時。”