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科学家欲用量子网络制造最准时钟

发布时间:2019-10-13 00:00:29

让全球钟表同步是一件很难的事情。

利用量子物理学原理,研究人员日前表示,他们将能够建立一套比现有任何单一钟表都要准确的原子钟全球网络。

这一全球系统将使得世界各国能够同步计时标准并提高空间导航精度。它还可以帮助探索基本的物理概念,如科学家长期寻找的被认为通过时间和空间荡漾的引力波。

“我们正在尝试做一点点幻想。”这项研究的合作者、美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学物理学家EricKessler说,“所有的模块原则上都已经得到了证明,我们想要展示的是如果所有模块都结合在一起会发生什么。”

Kessler及其同事、由MikhailLukin率领的哈佛研究团队在6月15日出版的《自然—物理学》杂志上描述了这一量子超级时钟。

这一概念融合了两大流行的研究趋势。首先是原子钟,随着科学家改进测量带电粒子或原子能态中超高速波动的方法,原子钟正在变得越来越准确。其次是量子纠缠,这是指粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象。Lukin的研究团队希望能够将许多原子钟连接起来,并使纠缠的原子从一个原子钟扩展到下一个原子钟。

Kessler说,想象一下,有10颗人造卫星环绕地球运转,每一颗卫星都携带有自己的原子钟。作为这一网络的中心,有一颗卫星会使自己的原子钟微粒进入纠缠状态。随后,它将与邻近的一颗卫星连接,从而使纠缠蔓延开来。这种连接最终将传递至整个卫星群,从而使所有卫星组成一个大的量子网络。

纠缠通过减少测量噪音从而提升了一部原子钟的精度。Kessler指出,因此所有的原子钟加入一个网络会比任何一部单独的原子钟表现得更为出色。他说:“这些原子钟相当于只拥有一个巨大的钟摆,因此具有更好的精度。”

共享信息还能够让这些电子钟更为稳定。单个原子钟偶尔会向中央卫星发射更新信息,报告其运行情况。而网络则能够据此调整其整体性能。马里兰大学学院公园分校物理学家ChristopherMonroe表示:“这一网络中的原子钟越多,这部机器就越准确。”

更好的计时能够使全球金融市场以近乎完美的同步性运行。依靠准确的时间标准,这一钟表网络还能够用来改进全球定位系统(GPS)卫星的性能。此外,更多的基础应用还包括探测广义相对论的效应等。

如果这一切听起来似乎因为太过美妙而难以让人相信的话,那是因为超级时钟距离现实还有很长的路要走。尽管这一钟表系统的某些部分能够在实验室中制造完成,但还有大量的工作需要完成。并且至今还没有人在太空中证明纠缠状态的存在。

科罗拉多州博尔德市JILA实验室物理学家JamesThompson指出,这篇论文之所以很重要,是因为它给出了量子纠缠能够改进科学家测量能力的一种方法,例如这项针对原子钟的研究。“这可是一件大事。”他说,“每个人都假设我们能够制造大量的纠缠并观察它、利用它,但没有人真正做到这一点。”Thompson目前正在实验室中进行量子纠缠研究,以便使其能够有更加实际的用途。

“毫无疑问,这是一个非常具有未来感的想法。”Kessler说,“我们还有很长的路要走。”

原子钟是利用原子的一定共振频率而制造的精确度非常高的计时仪器,是世界上已知最准确的时间测量和频率标准,也是国际时间和频率转换的基准,用来控制电视广播和全球定位系统。现在用在原子钟里的元素有氢、铯、铷等,目前最好的铯原子钟精度可以达到每500万年相差1秒。现在的世界标准时间,就是由原子钟报时的协调世界时。

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