量子纠缠让人类丈量时间的“尺子”，又精、又快了一步

所有时钟都通过计算某一参考频率的振荡次数来量化时间流逝。古老的钟摆在稳定摆动中计时，现代数字时钟则利用通电石英晶体的振动。振荡的稳定性直接关乎计时的准确度。比如，钟摆难以避免明显偏差，而石英的振动可靠许多，因此石英钟精度更高。

光学原子钟是迄今为止人类造出的最精密计时装置，也是仍在不断演进的前沿科学成果。它是如何运作的？具体来说：

操控者会先用一束超稳激光“探测”原子；激光频率事先被调谐至原子固有的跃迁频率附近，但二者只是接近，尚未完全匹配。假如激光频率能精准“锁定”原子跃迁频率，电子就会被激发至更高能级。(普朗克常数与跃迁频率的乘积 = 高能级与低能级之差。)

为求锁定，必须反复进行光学探测。最终，原子钟实现了激光与原子的同频共振，光频率稳定于原子的跃迁线。

由此，时钟可对这一稳定光场的振荡作计数——多次重复测量并取平均值以求抑制噪声。(每一次测得的频率都不完全一样，而频率测量值的随机波动意味着噪声。)

若用一句话概括上述工作原理，那就是：光学原子钟通过数原子的振荡次数来计时。

由此可知，对测量者而言，原子的跃迁频率波动越小，振荡越稳定，噪声就越小，钟就越准。

由于跃迁频率的变动微乎其微(可以认为噪声微乎其微)，测量平均值所达到的精度令人惊叹。当然，相关研究者并不惊讶，反而略带不满：现有成绩距离基础物理实验与量子尺度效应测量所需的精度水平，仍有提升空间。德国联邦物理技术研究院的专家凯·迪茨(Kai Dietze)就很想进一步提高原子钟精度。

2026年2月，迪茨与同事于《物理评论快报》(

Physical Review Letters

当两个粒子发生纠缠时，其中一个粒子的状态与另一个的存有内在关联，换言之，这对粒子会表现得犹如一个单体系统。这种“合二为一”的纠缠可从源头上降低外界干扰的影响，稳定粒子频率，让本就极小的噪声更小。

为验证思路，迪茨团队将一对钙离子制备为纠缠态，使其形成一种共享量子叠加态，从而降低了原子对磁场噪声的敏感度。接着，他们利用光学钟跃迁探测该集合态，并测量对应的频率。

在将测量结果与基于单个锶原子的传统光钟对比后，他们发现，二者的整体不稳定性达到了相近水平；不过由于纠缠离子对获取可测频率信息的速度两倍于单个离子，故前者的测量速率更高，达到同等测量精度所需的探测时间约为后者一半。

借助更快速的探测以及对测量结果的统计平均，光学原子钟的频率不稳定性会被更快抑制。迪茨等人深受新成果的鼓舞，并认为纠缠增强型的光学原子钟将很快被应用于前沿研究。

假想的暗物质场会引发原子频率的微小偏移，地球引力场的细微变化导致时间的相对论性微移——诸如此类物理现象都可通过超精密的光钟探测。

此项研究的里程碑式意义不止于基础物理学，也关乎计量学领域。国际社会正计划基于光学跃迁重新定义“秒”，而原子钟与量子纠缠的组合或许就是重写秒定义的理想路径，有望推动新一代光频标准的构建，为全球公认的时间定义铺平道路。

资料来源：

文章转载自“世界科学”微信公众号