將原子鐘與量子計算機相結合可以實現對自然定律的超精確測量

物理學家喜歡測量事物，並且他們希望這些測量盡可能精確。這意味著要在深不可測的小尺度上工作，其中的距離甚至比亞原子粒子的直徑小得多。研究人員還希望將時間測量精度降低到每數百億年不到一秒。在物理學中對這些超精確測量的追求是一個不斷發展的領域的一部分，稱為量子計量學。

現在，作為報導在日記中自然由物理學教授 Manuel Endres 領導的加州理工學院團隊開發了一種新設備，可以實現一些最精確的時間曾經實現過。該方法融合了最先進的與量子計算機。

“我們的目標是達到大自然允許的終極精度，”恩德雷斯說。 “我們現在已經展示了實現這一目標的基礎。”該研究的主要作者是前加州理工學院博士後學者蘭·芬克爾斯坦（現就職於特拉維夫大學），以及加州理工學院研究生理查德·Bing-Shiun Tsai和Xiangkai Sun。

允許這些精確時間測量的設備將幫助物理學家更好地探索自然定律，例如阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，並研究物理學中一些最困難的問題，例如暗物質的本質。還需要此類詳細的測量來檢測，安靜的漣漪。 （LIGO，激光干涉儀引力波天文台，由加州理工學院和麻省理工學院管理，最近實現了自己的目標.)

恩德烈斯團隊此前已開發出““，”由中性鍶原子陣列組成，其中每個原子都由激光器（鑷子）單獨控制。鑷子時鐘本身在標記時間的流逝方面非常精確。在這項新研究中，研究人員演示瞭如何在鑷子時鐘中進行量子計算，以使時鐘更加精確。

“原子鐘使用恩德雷斯說：“來測量時間，而量子計算機則使用量子力學來執行計算。在這裡，我們正在研究兩者的接口。”

挑戰在於使鑷子時鐘陣列中的原子糾纏在一起。糾纏是一種發生在量子尺度上的現象，其中粒子在不直接接觸的情況下連接在一起。恩德雷斯說：“如果原子糾纏在一起，你可以達到更高的精度，但我們需要一種非常具體的複雜形式的糾纏。”

這項新研究表明這種糾纏是可能的，而且一般來說，量子計算機可以與原子鐘等量子傳感器集成。未來，研究人員希望進一步減少系統中的誤差，使時鐘更接近理論精度極限。