原子鐘與量子計算機融合，精準測量自然規律

物理學家喜歡測量事物，並且他們希望這些測量儘可能精確。這意味着要在深不可測的小尺度上工作，在那裡，距離甚至比亞原子粒子的直徑小得多。研究人員還希望將時間測量精度提高到每數百億年不到一秒。在物理學中，對這些超精確測量的追求是一個不斷髮展的領域，即量子計量學的一部分。

現在，正如《自然》雜誌上所報道的那樣，由物理學教授曼努埃爾·恩德雷斯（Manuel Endres）領導的加州理工學院團隊開發了一種新設備，這可能會帶來一些有史以來最爲精確的時間測量結果。該方法將最先進的原子鐘與量子計算機相結合。

“我們的目標是達到自然界允許的最終精度，”恩德雷斯說。“我們現在已經展示了實現這一目標的基礎要素。”該研究的主要作者是前加州理工學院博士後學者蘭·芬克爾斯坦（Ran Finkelstein），現就職於特拉維夫大學，以及加州理工學院的研究生理查德·炳順·蔡（Richard Bing-Shiun Tsai）和孫向凱（Xiangkai Sun）。

這種能夠實現這些精確時間測量的設備將幫助物理學家更好地探索自然規律，例如阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，並研究一些物理學中最棘手的問題，例如暗物質的性質。這種詳細的測量對於探測引力波（時空裡最安靜的漣漪）也是必需的。（由加州理工學院和麻省理工學院管理的激光干涉引力波天文臺 LIGO 最近在量子計量學方面取得了自己的里程碑。）

此前，恩德雷斯的團隊開發了“鑷子鍾”，它由中性鍶原子陣列構成，其中每個原子均由激光（鑷子）單獨控制。就其本身而言，鑷子鍾在標記時間流逝方面非常精確。在這項新研究中，研究人員展示了怎樣在鑷子鍾中進行量子計算，從而讓時鐘更加精確。

“原子鐘利用量子力學來測量時間，而量子計算機利用量子力學來進行計算，”恩德斯說。“在這裡，我們正致力於兩者的交界領域。”

挑戰在於讓鑷子鍾陣列中的原子產生糾纏。糾纏是一種發生在量子尺度的現象，其中粒子在沒有直接接觸的情況下相互關聯。“如果原子發生糾纏，你可以達到更高的精度，”恩德斯說，“但我們需要一種極爲特殊且複雜形式的糾纏。”

這項新研究表明，這種糾纏是可行的，並且總體而言，量子計算機可以與諸如原子鐘之類的量子傳感器集成。在未來，研究人員希望進一步減少系統中的誤差，讓他們的時鐘更接近理論精度的極限。