研究人員表示，透過利用量子物理學的技巧，他們可以構建一個全球原子鐘網路，其精度遠高於當今存在的任何單個時鐘。
這個全球聯網將使各國能夠同步計時標準並改進空間導航。它還可以幫助探索基礎物理學概念，例如長期尋求的、被認為在空間和時間中傳播的引力波。
“我們試圖有點前瞻性，”共同作者，哈佛大學（位於馬薩諸塞州劍橋市）的物理學家埃裡克·凱斯勒說。“所有的構建模組都已在原理上得到證明，我們想展示如果所有這些領域融合在一起，未來可能會出現什麼。”凱斯勒和他的同事，在哈佛大學的米哈伊爾·盧金的領導下，今天在自然物理雜誌上描述了這種量子超級時鐘。
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糾纏的時間
這個想法結合了兩個流行的研究趨勢。第一個是原子鐘，隨著科學家改進測量帶電粒子或原子能量狀態中超快波動的方法，原子鐘變得越來越精確。第二個是量子糾纏，其中粒子對以某種方式連線起來，使得測量其中一個粒子的屬性會立即確定另一個粒子的相同屬性。盧金的研究小組希望採用多個原子鐘，並將一個時鐘中的原子與下一個時鐘中的原子糾纏起來。
凱斯勒說，想象一下一組繞地球執行的十顆衛星，每顆衛星都攜帶自己的原子鐘。作為網路中心的衛星將首先準備好其時鐘粒子處於糾纏態。然後，它將與鄰近衛星通訊，以在那裡擴充套件糾纏。這種連線最終將遍佈整個衛星群，將衛星連線成一個量子網路。
糾纏提高了原子鐘的精度，因為它減少了測量噪聲（參見“原子鐘使用量子計時”）。因此，凱斯勒說，連線網路中的所有時鐘都比每個時鐘單獨工作時表現更好。“時鐘的行為就像它們有一個巨大的單擺一樣，這具有更好的精度，”他說。
共享資訊也使時鐘更穩定。各個時鐘可以向中心衛星傳送偶爾的更新，報告它們計時的好壞。然後，網路可以微調其整體效能。“如果網路中有更多的時鐘，它只會使它成為更好的機器，”馬里蘭大學帕克分校的物理學家克里斯托弗·門羅說。
更好的計時將使全球金融市場能夠在近乎完美的同步狀態下執行。時鐘網路還可用於提高全球定位系統 (GPS) 衛星的效能，GPS 衛星依靠精確的時間標準來精確定位地面位置。其他更基礎的應用可能包括探索廣義相對論的影響，因為連線的時鐘也將充當通用頻率參考，可用於檢測空間和時間中的細微變化。
如果這一切聽起來好得令人難以置信，那是因為超級時鐘離現實還很遙遠。儘管時鐘網路的某些部分已在實驗室中製造出來，但仍有許多工作要做。例如，一次最多可以糾纏 14 個原子，但是該連線的保真度遠低於網路中每個時鐘所需的保真度。哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所的物理學家尤金·波爾齊克說，對於連結時鐘最有用的糾纏態僅針對少於 10 個原子生成。而且沒有人接近在太空中演示糾纏。
科羅拉多州博爾德市 JILA（科羅拉多大學和國家標準與技術研究所的聯合機構）的物理學家詹姆斯·湯普森說，這篇論文很重要，因為它闡述了量子糾纏可以提高科學家進行測量（例如原子鐘）能力的方式。“這意義重大，”他說。“每個人都理所當然地認為我們將能夠產生大量的糾纏並觀察它並用它做事情，但這實際上並非如此。”湯普森一直在努力改進實驗室中的量子糾纏，使其更實用。
“毫無疑問，這是一個非常具有未來感的提議，”凱斯勒說。“我們還有很長的路要走。”