原子钟与量子计算机的结合可以实现对自然法则的超精确测量

物理学家喜欢测量事物，他们希望测量结果尽可能精确。这意味着在深不可测的微小尺度上工作，其中距离甚至比亚原子粒子的直径还要小。研究人员还希望将时间测量精度降低到每数百亿年不到一秒。在物理学中对这些超精确测量的追求是量子计量学这一新兴领域的一部分。

据《自然》杂志报道，加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯领导的研究小组开发出一种新设备，可以实现有史以来最精确的时间测量。该方法将最先进的原子钟与量子计算机相结合。

“我们的目标是达到自然界允许的极限精度，”恩德雷斯说。“我们现在已经展示了实现这一目标的基本要素。”这项研究的主要作者是前加州理工学院博士后学者RanFinkelstein(现就职于特拉维夫大学)以及加州理工学院研究生RichardBing-ShiunTsai和XiangkaiSun。

这种可以精确测量时间的设备将帮助物理学家更好地探索自然法则，如爱因斯坦的广义相对论，并研究物理学中一些最难的问题，如暗物质的性质。探测引力波(时空中最安静的涟漪)也需要这种详细的测量。(加州理工学院和麻省理工学院管理的激光干涉引力波天文台LIGO最近在量子计量学方面取得了自己的里程碑。)

Endres的团队之前曾开发过“镊子钟”，它由中性锶原子阵列组成，其中每个原子都由激光(镊子)单独控制。镊子钟本身可以高度精确地标记时间的流逝。在这项新研究中，研究人员展示了如何在镊子钟中进行量子计算，以使时钟更加精确。

“原子钟使用量子力学来测量时间，而量子计算机则使用量子力学进行计算，”恩德雷斯说。“在这里，我们正在两者的接口上工作。”

挑战在于如何将镊子时钟阵列中的原子纠缠在一起。纠缠是一种发生在量子尺度上的现象，其中粒子在没有直接接触的情况下连接在一起。“如果原子纠缠在一起，你可以达到更高的精度，”恩德雷斯说，“但我们需要一种非常特殊的复杂形式的纠缠。”

这项新研究表明，这种纠缠是可能的，而且一般来说，量子计算机可以与原子钟等量子传感器集成在一起。未来，研究人员希望进一步减少系统中的误差，使他们的时钟更接近理论精度极限。

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