原子中的量子振動中包含着一個微小的信息宇宙。如果科學家們能夠準確地測量這些原子振蕩以及它們如何隨時間演變，他們就可以磨練原子鐘和量子傳感器的精度。量子傳感器是由原子組成的系統，其波動可以作為一個探測器以指示暗物質的存在、一個經過的引力波甚至是新的、意想不到的現象。
來自經典世界的噪音可以迅速壓倒小的原子振動，另外還使這些振蕩的任何變化都難以檢測到，這是改進量子測量的一個重要障礙。
然而麻省理工學院(MIT)的物理學家們最近證明，他們可以通過讓粒子經歷兩個關鍵過程來大幅放大原子振動中的量子變化：量子糾纏和時間反轉。
科學家們強迫那些被量子糾纏的原子在時間上向後演化一樣。原子振蕩的任何改變都會被放大並且很容易被監測到，這是因為研究人員基本上是將原子振蕩的磁帶倒轉。
在7月14日發表在《Nature Physics》上的研究中，科學家團隊證明了這種技術，他們將其命名為SATIN（通過時間逆轉進行信號放大），這是迄今為止開發的測量量子波動的最敏感方法。
這項技術可以將當今最先進的原子鐘的精確度提高15倍，並使它們的時間非常精確，以至於在整個宇宙時代，這些鐘的誤差將能小於20毫秒。另外，該技術還可用於進一步銳化旨在探測引力波、暗物質和其他物理現象的量子傳感器。
“我們認為這是未來的範式，”這項研究的論文第一作者Vladan Vuletic說道，“任何對許多原子起作用的量子干擾都可以從這項技術中獲益。”
該研究的MIT合作者包括第一作者Simone Colombo、Edwin Pedrozo-Peñafiel、Albert Adiyatullin、Zeyang Li、Enrique Mendez和Chi Shu。
糾纏計時員
一種特定類型的原子以一種特殊而恆定的頻率振動，如果測量得當可以作為一個非常精確的鐘擺，在比廚房時鐘的秒數更短的時間間隔內保持時間。但在單個原子的尺度上，量子力學定律佔據了上風，原子的振蕩就像每次翻轉的硬幣面一樣變化。只有通過對一個原子進行多次測量，科學家才能得到其實際振蕩的估計值–這種限制被稱為標準量子極限。
在最先進的原子鐘中，物理學家多次測量成千上萬個超冷原子的振蕩以增加他們獲得準確測量的機會。儘管如此，這些系統仍有一些不確定性，它們的計時可以更加精確。
2020年，Vuletic的研究小組表明，當前原子鐘的精度可以通過糾纏原子來提高–這是一種量子現象，通過這種現象，粒子被脅迫在一個集體的、高度相關的狀態下行事。在這種糾纏狀態下，單個原子的振蕩應該轉向一個共同的頻率，這樣就可以用更少的嘗試來準確測量。
Vuletic說道：“在當時，我們仍受限於我們能讀出時鐘相位的程度。”
也就是說，用於測量原子振蕩的工具不夠敏感，以至於無法讀出或測量原子集體振蕩的任何微妙變化。
倒轉符號
在新研究中，該研究團隊沒有試圖提高現有讀出工具的分辨率，而是尋求提高來自任何振蕩變化的信號從而使它們能夠被當前的工具讀出。他們通過利用量子力學中另一個奇怪的現象來做到這一點：時間反轉。
研究人員們認為，一個純粹的量子系統如一組完全跟日常經典噪聲隔離的原子，應該以可預測的方式向前演化，而原子的相互作用應該由系統的 哈密頓算符精確描述–本質上，是對系統總能量的數學描述。
在20世紀80年代，理論家們預言，如果一個系統的哈密頓學說被顛倒過來並讓同一個量子系統去演化，就好像這個系統回到了過去一樣。
“在量子力學中，如果你知道哈密頓算符，那麼你就可以通過時間來追蹤系統正在做什麼，就像一個量子軌跡，”Pedrozo-Peñafiel解說道：“如果這種演化是完全量子化的，量子力學告訴你，你可以去演化或回到初始狀態。”
“而這個想法是，如果你能逆轉哈密頓算符的信號，那麼如果你回到過去，系統向前演變后發生的每一個小擾動都會被放大，”Colombo補充道。
據了解，該團隊研究了400個超冷的鐿原子，這是今天的原子鐘中使用的兩種原子類型之一。他們將原子冷卻到僅高於絕對零度的溫度。在這個溫度下，大多數經典效應如熱量都會消失，原子的行為完全受量子效應支配。
研究小組使用一套激光器系統來捕獲原子，然後發出帶藍色的“糾纏”光迫使原子在相關的狀態下進行振蕩。他們讓糾纏的原子在時間上向前發展，然後將它們暴露在一個小的磁場中，這引入了一個微小的量子變化並稍微改變了原子的集體震蕩。
這種轉變不可能用現有的測量工具來檢測。相反，研究小組應用時間逆轉來提高這一量子信號。為了做到這一點，他們發送了另一個紅色的激光以刺激原子分離，就像它們在時間上向後演變一樣。
然後，他們測量了粒子的振蕩，因為它們回到了未糾纏的狀態並發現它們的最終階段跟初始階段明顯不同–這清楚地證明了在它們向前演變的某個地方發生了量子變化。
研究小組重複了這個實驗數千次，雲層範圍從50到400個原子，每次都觀察到預期的量子信號的放大。他們發現他們的糾纏系統比類似的未糾纏的原子系統要敏感14倍。如果他們的系統被應用於目前最先進的原子鐘，那麼它將減少這些時鐘所需的測量次數–減少15倍。
展望未來，研究人員希望在原子鐘上測試他們的方法及在量子傳感器中測試暗物質等。
Vuletic說道：“漂浮在地球上的一團暗物質可以改變當地的時間，一些人所做的是將澳大利亞的時鐘跟歐洲和美國的其他時鐘進行比較，看看他們是否能夠發現時間流逝方式的突然變化。我們的技術正好適合於此，因為你必須測量雲層飛過時快速變化的時間變化。”