利用量子糾纏，全球的原子鐘可以連為一體嗎？

物理學家計劃利用「量子糾纏」超越任何單個原子鐘的精度。研究者們表示，利用量子物理技術，他們可以建立原子鐘全球網路，將比現有任何單原子鐘都更加精確。

如果全球的原子鐘真的可以連為一體，世界各國的國家間同步計時標準將首次實現統一。新技術不但可以增強空間導航能力，還將有助於對基礎物理概念的探索，例如引力波的實質究竟是不是一種行波，可以在在時間和空間中傳播。

「我們要多些想像力」，哈佛大學物理學家，該論文共同作者埃里克?凱斯勒（Eric Kessler）說，「構建原子鐘量子網路的基本模塊都已經在理論上證實了。我們想展示的是，如果將所有這些模塊融合到一起將會出現什麼。」哈佛大學的米哈伊爾?盧金（Mikhail Lukin）帶領凱斯勒和他的同事們描繪了他們的超級量子時鐘，並在《自然物理學》（Nature Physics）上發表了相關論文。

【糾纏的時間】

這一想法結合了當前兩大熱門研究領域。一是原子鐘：因科學家們改進了測量帶電粒子或原子的能態間的超高速波動的方法，提高了原子鐘的精確度。第二個是量子糾纏。在量子糾纏中，一對粒子以某種方式連接，測量其中一個粒子的性質，同時便可確定另一個粒子也具有的性質。盧金研究組希望，把多個原子鐘的原子，通過糾纏一個一個連接起來。

想像一下，天空中有10顆人造衛星，每顆都帶有自己的原子鐘，凱斯勒說。以其中一顆作為網路中心，準備好糾纏態的時鐘粒子，然後與相鄰的衛星通信，將糾纏延伸過去，就可以利用時鐘粒子的糾纏，將衛星組成一個量子網路。

這種糾纏可以減少測量雜訊，提高單台原子鐘的精確性，而連接在網路中的每一台原子鐘的性能都會有所提升。凱斯勒說，「這就好像每台獨立的原子鐘都在使用同一個巨大而精確精確鐘擺一樣。」

信息共享也使時鐘更加穩定。每台時鐘都可以向中心衛星發送臨時更新，報告它們保持時間信息的狀態。隨後網路將對其整體性能進行微調，「如果網路中的時鐘越多，性能就越好，」馬里蘭大學的物理學家克里斯托弗?門羅說。

更精確的計時有很多重要的應用，不僅可以讓全球金融市場獲得近乎完美的同步性，還可以提高衛星導航系統的性能。GPS對地面位置進行定位，需要精確的時間標準。其他更基本的應用可能包括探索廣義相對論效應，因為連接的時鐘同樣將作為共同頻率參考，可以用來探測時間和空間上的微小變化。

這些聽起來，似乎讓人覺得難以置信，這是因為要實現這種超級時鐘，還有很長的路要走。儘管時鐘網路的某些部分已經在實驗室中實現了，但還有很多工作要做。例如目前已經同時糾纏了14個原子，但是連接的準確度仍然離真正的需求相去甚遠。而且這種糾纏狀態最適用於構建那種相連原子鐘只產生不超過10個原子的網路，哥本哈根尼爾斯?波爾研究所的物理學家尤金?波爾齊克（Eugene Polzik）說，另外，目前還沒有人可以驗證空間中的糾纏現象。

科羅拉多大學和國家標準技術局的物理學家詹姆斯?湯普森（James Thompson）說，這篇論文很重要，因為它給出了利用量子糾纏提高科學家測量能力的方法，例如原子鐘。「這是個大問題」他說，「每個人都希望我們將能產生許多糾纏現象，觀察它並利用它做一些事情，但是實際上並非如此。」湯普森已經在實驗室中致力於改善量子糾纏並讓它更實用。

「毫無疑問這是一個非常有希望的計劃」凱斯勒說，「我們有很長的路要走。」（作者：亞歷山德拉?維茨；翻譯：楊靜琦）

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