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原子中的量子振动中包含着一个微小的信息宇宙。如果科学家们能够准确地测量这些原子振荡以及它们如何随时间演变，他们就可以磨练原子钟和量子传感器的精度。量子传感器是由原子组成的系统，其波动可以作为一个探测器以指示暗物质的存在、一个经过的引力波甚至是新的、意想不到的现象。
来自经典世界的噪音可以迅速压倒小的原子振动，另外还使这些振荡的任何变化都难以检测到，这是改进量子测量的一个重要障碍。
然而麻省理工学院(MIT)的物理学家们最近证明，他们可以通过让粒子经历两个关键过程来大幅放大原子振动中的量子变化：量子纠缠和时间反转。
科学家们强迫那些被量子纠缠的原子在时间上向后演化一样。原子振荡的任何改变都会被放大并且很容易被监测到，这是因为研究人员基本上是将原子振荡的磁带倒转。
在7月14日发表在《Nature Physics》上的研究中，科学家团队证明了这种技术，他们将其命名为SATIN（通过时间逆转进行信号放大），这是迄今为止开发的测量量子波动的最敏感方法。
这项技术可以将当今最先进的原子钟的精确度提高15倍，并使它们的时间非常精确，以至于在整个宇宙时代，这些钟的误差将能小于20毫秒。另外，该技术还可用于进一步锐化旨在探测引力波、暗物质和其他物理现象的量子传感器。
“我们认为这是未来的范式，”这项研究的论文第一作者Vladan Vuletic说道，“任何对许多原子起作用的量子干扰都可以从这项技术中获益。”
该研究的MIT合作者包括第一作者Simone Colombo、Edwin Pedrozo-Peñafiel、Albert Adiyatullin、Zeyang Li、Enrique Mendez和Chi Shu。
纠缠计时员
一种特定类型的原子以一种特殊而恒定的频率振动，如果测量得当可以作为一个非常精确的钟摆，在比厨房时钟的秒数更短的时间间隔内保持时间。但在单个原子的尺度上，量子力学定律占据了上风，原子的振荡就像每次翻转的硬币面一样变化。只有通过对一个原子进行多次测量，科学家才能得到其实际振荡的估计值--这种限制被称为标准量子极限。
在最先进的原子钟中，物理学家多次测量成千上万个超冷原子的振荡以增加他们获得准确测量的机会。尽管如此，这些系统仍有一些不确定性，它们的计时可以更加精确。
2020年，Vuletic的研究小组表明，当前原子钟的精度可以通过纠缠原子来提高--这是一种量子现象，通过这种现象，粒子被胁迫在一个集体的、高度相关的状态下行事。在这种纠缠状态下，单个原子的振荡应该转向一个共同的频率，这样就可以用更少的尝试来准确测量。
Vuletic说道：“在当时，我们仍受限于我们能读出时钟相位的程度。”
也就是说，用于测量原子振荡的工具不够敏感，以至于无法读出或测量原子集体振荡的任何微妙变化。
倒转符号
在新研究中，该研究团队没有试图提高现有读出工具的分辨率，而是寻求提高来自任何振荡变化的信号从而使它们能够被当前的工具读出。他们通过利用量子力学中另一个奇怪的现象来做到这一点：时间反转。
研究人员们认为，一个纯粹的量子系统如一组完全跟日常经典噪声隔离的原子，应该以可预测的方式向前演化，而原子的相互作用应该由系统的 哈密顿算符精确描述--本质上，是对系统总能量的数学描述。
在20世纪80年代，理论家们预言，如果一个系统的哈密顿学说被颠倒过来并让同一个量子系统去演化，就好像这个系统回到了过去一样。
“在量子力学中，如果你知道哈密顿算符，那么你就可以通过时间来追踪系统正在做什么，就像一个量子轨迹，”Pedrozo-Peñafiel解说道：“如果这种演化是完全量子化的，量子力学告诉你，你可以去演化或回到初始状态。”
“而这个想法是，如果你能逆转哈密顿算符的信号，那么如果你回到过去，系统向前演变后发生的每一个小扰动都会被放大，”Colombo补充道。
据了解，该团队研究了400个超冷的镱原子，这是今天的原子钟中使用的两种原子类型之一。他们将原子冷却到仅高于绝对零度的温度。在这个温度下，大多数经典效应如热量都会消失，原子的行为完全受量子效应支配。
研究小组使用一套激光器系统来捕获原子，然后发出带蓝色的“纠缠”光迫使原子在相关的状态下进行振荡。他们让纠缠的原子在时间上向前发展，然后将它们暴露在一个小的磁场中，这引入了一个微小的量子变化并稍微改变了原子的集体震荡。
这种转变不可能用现有的测量工具来检测。相反，研究小组应用时间逆转来提高这一量子信号。为了做到这一点，他们发送了另一个红色的激光以刺激原子分离，就像它们在时间上向后演变一样。
然后，他们测量了粒子的振荡，因为它们回到了未纠缠的状态并发现它们的最终阶段跟初始阶段明显不同--这清楚地证明了在它们向前演变的某个地方发生了量子变化。
研究小组重复了这个实验数千次，云层范围从50到400个原子，每次都观察到预期的量子信号的放大。他们发现他们的纠缠系统比类似的未纠缠的原子系统要敏感14倍。如果他们的系统被应用于目前最先进的原子钟，那么它将减少这些时钟所需的测量次数--减少15倍。
展望未来，研究人员希望在原子钟上测试他们的方法及在量子传感器中测试暗物质等。
Vuletic说道：“漂浮在地球上的一团暗物质可以改变当地的时间，一些人所做的是将澳大利亚的时钟跟欧洲和美国的其他时钟进行比较，看看他们是否能够发现时间流逝方式的突然变化。我们的技术正好适合于此，因为你必须测量云层飞过时快速变化的时间变化。”