美国科学家正在重新定义时间测量方式，他们开发出了一种新型的光学原子钟，利用锶原子之间的量子纠缠，实现了超越极限的时间精度。你举着手指竭力保持不动，它都能给你画出指甲盖上海拔微微变化带来的地球引力波动惊涛骇浪图。这项突破已发表在10月9日《自然》杂志上。
现在计时精度最高的是光学原子钟，它通过原子的自然振动来计时，就像传统钟表中的钟摆一样，只不过这些“钟摆”每秒钟能“滴答”数万亿次，精度超乎想象，被用于导航卫星等高精尖设备上。
但即使是这种超精密的原子钟，不确定性也会随着时间推移逐渐积累，导致时间精度受到限制，这就是物理学中的“标准量子极限”。
如何打破这个极限呢？遇事不决，量子力学，科学家们想到了量子纠缠。
科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所 (NIST)团队，将几十个锶原子困在晶格里，冷却到接近绝对零度，然后用激光进行轰击，让它们单个、2个、4个、8个纠缠在一起，形成一种量子纠缠的“鬼影互动”，相当于将4个“独立时钟”融合成了一个超级精准的“联合时钟”。
这些原子在低能级和高能级之间来回跳跃，形成一个精度极高的“钟摆”，每秒钟可以振荡超过1万亿次，比传统光学原子钟的不确定性小得多。
这意味着科学家们用量子纠缠突破了量子极限，时间将可能被分割成更小的单位，得到更精确的测量，这种超高精度的原子钟将可能用于基本物理定律的验证，彻底改变人类的基础科学。
一个明显的例子就是地球引力测量，科学家们声称这个原子钟可以检测海拔高度几分之一毫米变化带来的地球引力细微变化。这意味着我举着一根手指，本能地自然颤抖，它都能将我指甲盖上的引力变化画成一幅惊涛骇浪图，可以直接给细菌微生物们导航了。
另外这种原子纠缠方式，还有可能成为创建多量子比特门的基础，从而带来量子计算的巨大进步。
不过由于量子纠缠的脆弱性，这种原子钟目前还只能运行3毫秒，因为锶原子之间的量子纠缠很快就会因退相干而瓦解。研究人员正在努力延长这种纠缠的维持时间，以便让这项技术能够应用在更长时间的测量中，为未来的科学进步奠定坚实的基础，推动整个人类文明的进步。
参考文献：
Cao, A., Eckner, W.J., Lukin Yelin, T. et al. Multi-qubit gates and Schrödinger cat states in an optical clock. Nature 634, 315–320 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z
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