上海
全球首台量子落地式摆钟已经形成了完整设计——只用一个原子、两面微型镜片和光就能工作。这样的时钟，可以帮助人们理解钟表如何在量子世界里保持精准，进而探索物理学的前沿问题。目前的问题是，这台钟什么时候可以造出来？
我们通常可以用一些简单的装置来测量时间，比如沙漏中流淌的沙子，或是记录太阳位置的变化。自从17世纪落地摆钟这类机械钟表被发明后，时间的测量精度便大幅提升。如今，法兰西公学院的马泰奥·布鲁内利和同事们证明，这种钟表在量子世界里也有对应的版本。
摆钟能不能遵循量子力学的规律运行？起初，布鲁内利团队也不确定。
一座摆钟有三个基本组成部分。首先是摆锤，它的摆动定义了钟的“滴答”节奏。其次是钟里的重物，利用地球引力驱动摆锤运动。最后，还需要一个“擒纵机构”，作用是把摆锤的摆动转化成指针的运动，并向摆锤提供微小的能量推动，以弥补摩擦导致的摆速减慢。具体来说，为了让摆锤每次都能以相同的幅度左右摆动，擒纵机构必须精确控制重物的升降。
为此，研究人员开发了一个数学模型，用量子世界里的物体复刻了所有这些特征。在他们的设计中，该时钟是一个由两面相对的镜子组成的腔体，其中一面固定，另一面可以来回振荡。两面镜子之间放上一个原子，这个原子可以处于三种不同的能量状态。腔体环境里的微小温度波动，会让原子从一个能级跳到另一个能级，有些跳跃发生时，原子会放出一个光子。这个光子在两面镜子之间来回弹跳，推动那面可动的镜子产生振荡，就像重物下落带动摆锤一样。
原子扮演的就是擒纵机构的角色，它反复在不同能级之间转换，保证钟能持续发出“滴答”声。布鲁内利说，这已经是擒纵机构可能做到的最小尺度。团队的数学分析表明，只要参数调校得当，这个量子钟就会如普通钟表一般，进入稳定、可靠的运行状态，有节奏地走时。
布鲁内利表示，世界上最精准的原子钟需要用激光来控制，但这款量子钟可以自主运行，更像一台独立的热力学机器。此外，也曾有人设计过自主式量子钟，但由于无法靠擒纵机构维持均匀的振荡，因此那些钟的精度都不够高。
摆钟、量子摆钟单发射和量子摆钟多发射示意图
事实上，这款新量子钟打破了一个名为“热力学不确定性关系”的精度上限，此前许多自主式钟表均受此限制。简单说，任何钟表的精度都与其逆向运行所需付出的“努力”相关——走时的不可逆性越强，计时精度便越高。而新钟的精度恰好与其不可逆性成正比，这一特性使其尤为适合实现高精度计时。
印度海得拉巴塔塔基础科学研究所的斯里纳特·马尼坎丹表示，研究自主式钟表对理解“计时”本身至关重要，因为此类钟表并不依赖其他时钟来维持自身精度，最能体现计时过程的最底层原理。人们对量子时钟底层工作机制的理解越深入，就越有可能探索新的物理学理论，例如引力在量子世界中的具体表现。
如今，利用微型空腔和光子进行实验已十分普遍，因此，在实验室中构建这款新型时钟所需的大部分材料业已具备。不过，布鲁内利表示，由于擒纵机构的设计颇为新颖，相关实验仍面临技术上的挑战，“但并非完全不可行”。
原标题：《全球首个量子座钟设计稿出炉！“机芯”仅需1个原子》
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