北京
所有時鐘都通過計算某一參考頻率的振蕩次數來量化時間流逝。古老的鐘擺在穩定擺動中計時，現代數字時鐘則利用通電石英晶體的振動。振蕩的穩定性直接關乎計時的準確度。比如，鐘擺難以避免明顯偏差，而石英的振動可靠許多，因此石英鐘精度更高。
光學原子鐘是迄今為止人類造出的最精密計時裝置，也是仍在不斷演進的前沿科學成果。它是如何運作的？具體來說：
操控者會先用一束超穩激光“探測”原子；激光頻率事先被調諧至原子固有的躍遷頻率附近，但二者只是接近，尚未完全匹配。假如激光頻率能精準“鎖定”原子躍遷頻率，電子就會被激發至更高能級。(普朗克常數與躍遷頻率的乘積 = 高能級與低能級之差。)
為求鎖定，必須反復進行光學探測。最終，原子鐘實現了激光與原子的同頻共振，光頻率穩定于原子的躍遷線。
由此，時鐘可對這一穩定光場的振蕩作計數——多次重復測量并取平均值以求抑制噪聲。(每一次測得的頻率都不完全一樣，而頻率測量值的隨機波動意味著噪聲。)
若用一句話概括上述工作原理，那就是：光學原子鐘通過數原子的振蕩次數來計時。
由此可知，對測量者而言，原子的躍遷頻率波動越小，振蕩越穩定，噪聲就越小，鐘就越準。
由于躍遷頻率的變動微乎其微(可以認為噪聲微乎其微)，測量平均值所達到的精度令人驚嘆。當然，相關研究者并不驚訝，反而略帶不滿：現有成績距離基礎物理實驗與量子尺度效應測量所需的精度水平，仍有提升空間。德國聯邦物理技術研究院的專家凱·迪茨(Kai Dietze)就很想進一步提高原子鐘精度。
2026年2月，迪茨與同事于《物理評論快報》(
Physical Review Letters) 撰文稱，他們利用量子糾纏使原子鐘的計時穩定性更上層樓。研究思路是這樣的：
當兩個粒子發生糾纏時，其中一個粒子的狀態與另一個的存有內在關聯，換言之，這對粒子會表現得猶如一個單體系統。這種“合二為一”的糾纏可從源頭上降低外界干擾的影響，穩定粒子頻率，讓本就極小的噪聲更小。
為驗證思路，迪茨團隊將一對鈣離子制備為糾纏態，使其形成一種共享量子疊加態，從而降低了原子對磁場噪聲的敏感度。接著，他們利用光學鐘躍遷探測該集合態，并測量對應的頻率。
在將測量結果與基于單個鍶原子的傳統光鐘對比后，他們發現，二者的整體不穩定性達到了相近水平；不過由于糾纏離子對獲取可測頻率信息的速度兩倍于單個離子，故前者的測量速率更高，達到同等測量精度所需的探測時間約為后者一半。
借助更快速的探測以及對測量結果的統計平均，光學原子鐘的頻率不穩定性會被更快抑制。迪茨等人深受新成果的鼓舞，并認為糾纏增強型的光學原子鐘將很快被應用于前沿研究。
假想的暗物質場會引發原子頻率的微小偏移，地球引力場的細微變化導致時間的相對論性微移——諸如此類物理現象都可通過超精密的光鐘探測。
此項研究的里程碑式意義不止于基礎物理學，也關乎計量學領域。國際社會正計劃基于光學躍遷重新定義“秒”，而原子鐘與量子糾纏的組合或許就是重寫秒定義的理想路徑，有望推動新一代光頻標準的構建，為全球公認的時間定義鋪平道路。
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文章轉載自“世界科學”微信公眾號
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