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科学家设计新型原子钟：140亿年内误差不超1/10秒

2020-12-21 14:41 科技日报　-　

据最新一期《自然》杂志报道，美国科学家利用量子纠缠现象新设计出一种原子钟，如果运行约140亿年（大约是当前宇宙的年龄），该原子钟可将时间精度保持在1/10秒之内。

麻省理工学院的研究人员解释说，量子纠缠有助于减少测量原子钟用来保持时间的原子振荡所涉及的不确定性。

原子钟通过与激光一样的方法来测量原子云的规则振荡，这是科学家目前可以观察到的最稳定的周期性事件。理想情况下，人们将能够使用单个原子的运动。然而，在原子尺度上，量子力学的奇异规则开始起作用。测量受制于概率，必须将概率取平均才能得出可靠的数据。当增加原子数时，所有这些原子给出的平均值将产生具有正确值的东西。

当前的原子钟从数千个超冷原子中进行测量，这些原子被激光束缚在一个光学“陷阱”中，并由另一种激光探测，其频率类似于被测原子的振动频率。但是，这种方法也受到一定程度的量子不确定性的影响。

在新设计中，研究人员纠缠了稀土元素350中的约350个原子，该元素每秒比常规原子钟中使用的铯的振荡频率高10万倍。研究人员解释说，这意味着纠缠原子的单个振荡在一个共同的频率附近变紧，从而提高了时钟进行测量的精度。

与使用常规原子钟一样，研究人员将原子捕获在由两个反射镜界定的光学腔中，然后向腔内发射激光，使其在反射镜之间反射，与原子反复相互作用并纠缠它们。研究人员使用另一台激光仪测量原子的平均频率，研究发现纠缠使时钟达到了所需精度的4倍。

研究人员表示，通过延长测量时间，可以使时钟更精确。新时钟的设计可用来更好地破解宇宙的各种未解之谜。随着宇宙的老化，光速会改变吗？电子的电荷会改变吗？这都可以用更精确的原子钟进行探测。

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