使用量子计算工具增强的多集成原子钟

使用一种用于单个量子控制的新技术，可以使多个原子钟以不同的速率滴答作响，就像手表上的不同指针一样。在协同工作中，它们可以用来执行比任何一个时钟本身更好的计时。图片来源：Shaw et al.

原子钟是一类利用原子共振频率来保持高精度时间的时钟。虽然这些时钟多年来变得越来越先进和准确，但现有版本可能无法最好地利用它们所依赖的资源来保持时间。

加州理工学院的研究人员最近探索了使用量子计算技术进一步提高原子钟性能的可能性。他们的论文发表在《自然物理学》上，介绍了一种新方案，可以同时使用多个原子钟来更精确地保持时间。

“原子钟已经有几十年的历史了，但它们的性能每年都在提高，”该论文的合著者亚当·肖（Adam Shaw）告诉 Phys.org。

与此同时，近年来，原子物理学界大力推动开发所谓的量子计算机，这种设备控制单个原子的量子态，以执行超出普通计算机能力的计算。虽然时钟和计算机似乎完全不同，但近年来人们已经意识到它们可以高度协同。

Shaw和他的同事们最近研究的主要目标是使用量子计算机功能的一些工具来增强原子钟。为此，研究人员通过实验实现了一个已有10年历史的理论建议，该建议需要同时使用多个时钟来保持时间，而不是单个时钟，确保每个时钟以不同的速率记录时间的流逝。

“这个想法基本上与手表上的多根指针相同：一根时针用于跟踪较长的时间变化，而分针用于更精确地跟踪较短的时间变化，”Shaw解释道。我们所做的基本上是在原子尺度上建造这样一个多指针时钟。为此，我们展示了一种通过改变单个原子在激光束中的位置来控制单个原子的电子状态的新方法，具有非常高的保真度。

研究人员使用他们提出的技术来控制原子钟中的单个原子。具体来说，他们确保每个原子有效地经历更慢或更快的时间流逝，这取决于它们相对于施加的激光束的动态位置。

“目前世界上最精确的时钟是通过用大量原子来测量时间的流逝，但我们证明了个人控制可以带来更好的性能，”Shaw说。“更广泛地说，我们的工作显示了结合量子计算机和量子传感器功能的力量，许多其他团队正在努力实现和改进这种结合。

Shaw和他的同事们收集的初步发现非常令人鼓舞，突出了量子计算技术在计量研究中的潜力。在未来，这项研究可能会激发其他可编程量子光学时钟的发展，从而产生更好的性能。

在该团队发表论文一周后，由伯克利的西蒙·科尔科维茨（Shimon Kolkowitz）领导的另一个研究小组发表了一篇论文，试图在《物理评论X》中实现类似的多指针时钟。他们的多指针时钟是使用不同的技术创建的，但它也突出了一次依赖多个原子钟的优势。

“在我们最近的论文中，我们控制了多个单独的原子钟，但时钟本身相对简单：只有单个原子，”Shaw补充道。

“我们现在正在努力在每个时钟内的单个原子之间使用量子纠缠，以便我们原子表上的每根'指针'变得更加精确。这样做应该可以提高时钟性能，并且将成为量子计算机和原子钟的真正混合体。

更多信息：Adam L. Shaw 等人，通过对原子运动的局部旋转进行编程进行多集成计量，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-023-02323-w.

Xin Zheng 等人，使用多个原子系综降低光学晶格钟的不稳定性，Physical Review X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.011006.

期刊信息： Nature Physics ， Physical Review X