原子鐘如何實現納秒量級的同步？量子通訊提供全新解決方案

天下 07-16

物理學家們正在探索用新的方法——量子通訊技術，來提高全球時鐘網路的精確性。這一點對於很多應用技術至關重要，比如全球定位系統（GPS）。

位於捷克布拉格市的著名大鐘；供圖：jay8085/Flickr；版權：CC BY-2.0

來源 | AIP Inside Science

作者 | Yuen Yiu

即便對於最守時的人，開發能精確到納秒量級（10億分之一秒）的原子鐘，似乎也太強迫症了。但對於現今世界的許多應用技術而言，——例如全球定位系統(GPS)和互聯網技術，離開了原子鐘就無法正常工作。可怕的是，即便是這種程度的精準性，也不能讓物理學家們感到滿意。隨著時間的推移，各個原子鐘還是會變得彼此不同步，從而使許多現代技術出現一大堆問題。現在，科學家們正在考慮使用新興的量子通訊技術來同步原子鐘。

應用在宇宙中的原子鐘；圖片來自網路

原子鐘的同步精度需要達到納秒量級

GPS衛星上的原子鐘每24小時就會產生10納秒左右的誤差。GPS衛星之間如果不定期通信，其上的原子鐘就會逐漸失去同步，進而會導致三角定位（三顆衛星同時定位）的精度降低。平均每納秒會產生大約一英尺（約0.3米）的誤差，以此速度推算，只需短短几周的時間，谷歌地圖就無法區分主幹道和高速公路了。

問題的根源在哪裡呢？在亞原子物理學尺度上，基本粒子本身的不確定性會在很大程度上影響到設備的運行。在許多現代技術應用中，這種情況不斷發生，例如原子鐘，它的計時器是通過計算一組原子的震蕩次數來工作的。雖然，對於特定類型的原子，其振蕩一次所需的平均時間是確定的，但實際上，任何單個原子振蕩的周期都不可能100%一致。

對於全球定位系統（GPS）衛星上的原子鐘來說，在數千英里（1英里約合1.6千米）範圍內進行頻繁的再同步工作，會使運營成本變得十分高昂。這也就是為什麼計算機科學家和物理學家開始著手探索新的通訊方法，試圖提高時間信息傳輸的效率，同時降低誤碼率。

用於定位的GPS衛星需要精確的原子鐘；圖片來自網路

運用「量子通信」技術實現時鐘同步

在《英國皇家學會學報A》上最新刊發的一篇論文中，研究人員指出，使用量子通信技術在不同衛星之間直接傳輸時間信息，是完全有可能的。

量子物理學家大衛·萊布蘭特（David Leibrandt），現任職於美國科羅拉多州玻爾得市的美國國家標準與技術研究所，他和我們介紹說:「一直以來，時鐘的同步都是依靠傳統的信息傳遞方式來實現。最近，一些新發表的論文中提到，使用量子通信技術可以更好的實現原子鐘之間的同步。」大衛沒有參與這個項目。

那麼，量子通信有何特別之處呢？原子鐘是通過記錄原子鐘內原子所包含的量子信息來計時的。如果使用量子通信技術，信息就可以在原子鐘之間直接傳輸，而不再需要像傳統同步技術那樣，先把量子信息轉換成數字信息再來傳輸。這樣，就可以從根本上消除量子信息在測量以及轉換過程中造成的不確定性。來自牛津大學的計算機科學家朱利歐·奇里貝拉（Giulio Chiribella），和來自香港、日本的同事們一起參與了這個項目，並在期刊上發表了相關文章。據奇里貝拉教授稱，雖然使用量子通訊技術傳遞量子信息也會有誤差，但相比傳統信息傳遞技術而言，量子通訊技術要精確得多。

「通過數學計算，我們得到了在量子信息傳遞過程中，信息存儲單元的最小數目和信息傳遞精確性之間的對應關係。」奇里貝拉教授說。該研究團隊最新發表的文章，為使用量子通訊技術同步時鐘網路提供了理論框架，回答了使用量子技術同步時鐘網路會帶來哪些好處，以及如何權衡資源投入和信息傳遞精確性之間的關係、獲得最高性價比的問題。