世界上最好的時鐘沒有指針、沒有鐘擺、沒有錶盤或數字顯示。 這是位於科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究院 (NIST) 的 Jun Ye 實驗室裡的一堆雷射、電線和鍶原子。
時鐘，葉描述的在2月6日自然，是如此精確，以至於如果它在 45 億年前地球形成時開始滴答作響，它就不會增加或減少一秒鐘。 在這段時間內，瑞士石英錶至少會偏離數千年。
葉的原子或光學時鐘令人印象深刻，但這只是邁向雄心勃勃的計時目標的一步。 他和JILA（NIST 和科羅拉多大學博爾德分校的聯合研究所）的同事設想將10 個或更多原子鐘安裝在衛星和國際實驗室中，並錯綜複雜地連接起來，形成相當於一個全球超級時鐘的效果。 每當葉在科羅拉多實驗室用原子探測雷射器檢查時間時，他的時鐘就會與網路上的所有其他時鐘即時連接，無論距離如何，並提供比當今原子探測雷射產生的讀數精確數百倍的讀數。
精確的時鐘網路將具有驚人的能力。 它將提供當前技術不可能實現的全球同步水平。 在一個互聯的世界中，同步性很重要，在這個世界中，電力公司、網路伺服器和金融公司將其服務協調到納秒級，並希望做得更好。
值得注意的是，全球超級時鐘也能夠測量與時間沒有直覺連結的事物。 由於根據愛因斯坦的廣義相對論，時間和重力是內在連結的，因此研究人員可以使用時鐘作為一種尺度，將時鐘滴答速率的微妙波動與其下方的質量關聯起來。 飛行在敵方領土上空的時鐘可以探測到地表以下缺失的質量——也許是秘密地下隧道或洞穴的位置。
建構這個時鐘網路會很複雜，但也絕非不可能。 關鍵是將原子計時的穩定進步與量子糾纏結合起來，量子糾纏是亞原子粒子的錯綜複雜的聯繫，現在幾乎和近 70 年前愛因斯坦嘲笑地稱其為「幽靈」時一樣神秘。 利用這種令人費解的現象來創建跨越遠距離的瞬時量子連結可能會產生人類歷史上最複雜的計時設備。
獲得更大確定性的門票
在量子力學（一種處理原子和亞原子尺度上物質行為的理論）在 1920 年代中期提出之前，物理學似乎更有意義。 在經典物理學中，大大小小的物體都具有確定的屬性：例如，電子在特定時間存在於特定位置並具有特定的自旋。 但量子力學領域是由隨機性所統治的。 電子可以位於多個位置並同時沿著多個方向旋轉——它可以存在於所謂的狀態疊加中。 只有當有人測量電子時，它才會決定一組特定的特性。
科學家對量子力學背後的方程式研究得越多，這個理論就變得越違反直覺。 1935 年，愛因斯坦與同事鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky) 和內森·羅森(Nathan Rosen) 進行了一項著名的思想實驗，並意識到，理論上，多個粒子在分離後可以相互作用並保持一種奇怪的聯繫。 起初，每個粒子都保持疊加狀態，同時包含多種屬性。 然而，測量其中一種粒子的人可以立即確定其他粒子的特性。 無論粒子之間的距離如何：公分、公里、甚至光年，這種即時聯繫都成立（SN：2010 年 11 月 20 日，第 11 頁 22 號）。
愛因斯坦嚴重懷疑粒子能否維持如此親密的遠距離關係； 他後來將這個不合邏輯的結果稱為「幽靈般的遠距離作用」。 奧地利物理學家歐文‧薛丁格對這種可能性持更開放的態度。 他創造了量子糾纏這個術語。
今天，物理學家仍然不確定多個粒子如何設法瞬間協調它們的特性。 然而，這種現象絕對是真實的，研究人員正在非常擅長在實驗室中證明它。
2011 年，包括因斯布魯克大學 Thomas Monz 在內的奧地利團隊透過雷射將 14 個鈣原子擠壓在一起，將它們糾纏在一起（SN 線上：2011 年 4 月 10 日）。 在蒙茲的團隊進行測量之前，每個原子都處於兩種可能的電子組態的疊加狀態。 但當研究人員測量其中一個原子的構型時，其他 13 個原子立即呈現相同的狀態。 由於糾纏，14 個原子的行為就像一個巨型原子。
哈佛大學物理學家艾瑞克‧凱斯勒表示，這樣的結果不只是一個很酷的技巧。 在隨機性統治的領域中，糾纏是獲得更大確定性的門票。 一組 14 個原子，每個原子都有兩種可能的狀態，會產生 16,384 種可能的組合。 但透過糾纏原子，蒙茲的團隊將可能性清單減少到兩種。 換句話說，研究人員不需要擲 14 枚硬幣，而只需擲一枚巨型硬幣。
包括凱斯勒和葉在內的一個研究小組建議科學家利用這種現象來提高原子鐘的準確性。 然而，他們不想拋硬幣，而是想鞏固鐘擺。
一個好的時鐘的關鍵是一個以恆定速率振盪的鐘擺。 幸運的是，大自然提供了完美的鐘擺：原子。 對於給定的原子，只有離散的能量才能誘使其中一個電子在能階之間跳躍。 在過去的半個世紀中，物理學家已經調整了激光，使其發出加速電子跳躍所需的精確能量。 對於調諧到特定類型原子的每個時鐘，雷射的頻率應該相同，因為該頻率與原子固有的、不可變的電子躍遷能量相關。 （對於校準世界時鐘的銫 133 原子，其頻率對應於每秒振盪 92 億次的微波輻射。）理論上，雷射會進入一個永遠不會偏離的鐘擺（SN：2011 年 10 月 22 日，第 10 頁 22 號）。
但在實踐中，量子力學令人討厭的隨機性從根本上限制了頻率測量的保真度，從而限制了銫鐘的精度。 葉的新型鍶鐘表現更好，因為它使用每秒振盪 430 萬億次的可見光激光，將時間分成更短的鐘擺擺動，並且它探測數千個原子，而不僅僅是一個。 但即便如此，它也不能免於量子隨機性的影響。
葉、凱斯勒和他們的團隊表示，糾纏是消除這種隨機性的關鍵。 他們的論文，發佈在網上去年 10 月，arXiv.org 設想了一個由糾纏原子組成的時鐘，它可以透過其組件之間的量子連接來降低雜訊。 正如 Monz 的團隊將 14 個原子合併為一個巨型原子一樣，Kessler 表示，“這些原子不會充當單個鐘擺，而是充當一個巨大的鐘擺，可以更準確地計時。”
雖然葉還沒有在他的時鐘中糾纏原子，但他正在與一小群已經在嘗試設計糾纏鐘錶的量子物理學家交換意見。 JILA 的 James Thompson 和麻省理工學院的 Vladan Vuletić 正在研究用雷射將時鐘原子擠壓在一起，類似於 Monz 的技術。 「與這些人交談並測試這些想法真的很令人興奮，」葉說。
創造單獨的糾纏時鐘固然很好，但它們放在實驗室的桌子上沒有任何實際用途。 NIST 透過無線電廣播其銫鐘訊號，供消費者、企業和科學家使用。 全球定位系統透過多個時鐘比較微波輻射傳播到各個衛星所需的時間來計算使用者的位置。 巴黎附近的國際計量局接收世界各地時鐘的時間讀數，以製定協調世界時 (UTC) 標準。 顯然，葉說，“連接時鐘是絕對必要的。” 糾纏時鐘也是如此。
發射時間
問題在於，原子鐘擺擺得越快，共享該訊號就越困難。 葉無法透過無線電廣播他的鍶鐘發出的可見光訊號，因為它振盪太快。 這意味著科學家必須開發從光學時鐘傳輸可見光定時訊號的新技術。 訣竅是確定使訊號失真的噪音源並抵消它們，就像降噪耳機一樣。
德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的物理學家斯特凡·德羅斯特正在研究此案。 9 月，他和他的團隊透過 1,840 公里長的地下光纜發送了光學計時訊號。 他現在正與法國研究人員合作，將法國的一個光學時鐘與德國的一個光學時鐘連接起來。 與此同時，在博爾德附近的山區，物理學家內森·紐伯里(Nathan Newbury) 最近報告稱，他在NIST 的實驗室和大約兩公里外的台地之間成功地通過空氣發射光信號。 這是從像葉的時鐘這樣的時鐘向衛星發送訊號和從衛星發送訊號的第一步。
有人真的知道現在幾點了嗎？
德羅斯特和紐伯里的工作很重要，因為它可以讓世界分享更精確的時間訊號。 但葉和他的同事認為，光是共享還不夠。 他們指出，沒有任何實體設備可以充當主世界時鐘。 UTC其實是一個紙鐘。 它的「時間」是透過對世界各地約 200 個銫鐘的讀數進行平均而得出的——這項計算需要時間來完成。 結果是，沒有人——即使是擁有世界上最好時鐘的葉先生——也不知道現在是幾點（見右側邊欄）。
確定世界時間的這種延遲並不是一個容易解決的問題。 無論分散在世界各地的各個時鐘的性能如何，科學家都無法以超過光速的速度相互分享資訊。 馬裡蘭大學帕克分校聯合量子研究所的物理學家克里斯·門羅 (Chris Monroe) 表示：“如果不用打電話就能知道不同地點的時間，那就太好了。”
這讓我們回到了愛因斯坦的怪異遠距離動作。 在 10 月的 arXiv 論文中，葉和他的團隊建議建立一個相互糾纏的糾纏時鐘網。 這意味著，透過測量一個時鐘中激發一個原子的頻率，使用者在某種意義上可以存取網路上每個時鐘中的每個原子。 結果將是一個前所未有的由衛星時鐘組成的世界時鐘，每個衛星時鐘都可以立即獲得準確的時間。 「網路中的任何時鐘都可以立即實現 [UTC]，」NIST 物理學家安德魯·勒德洛 (Andrew Ludlow) 說，他沒有參與這項研究。
為了將相距數千公里的時鐘錯綜複雜地連接起來，物理學家必須透過一種稱為量子隱形傳態的過程在時鐘之間傳遞糾纏。 這個想法只有 20 年的歷史，但物理學家已經利用遠距離傳輸（長距離傳輸量子資訊）取得了令人印象深刻的成功。 2007 年，維也納量子科學技術中心的 Anton Zeilinger 及其同事將一個光子的偏振態傳送到約 143 公里外的另一個光子（SN：2012 年 6 月 30 日，第 6 頁 10）。
在葉團隊的方案中，科學家將產生一對糾纏光子，並透過衛星或光纖連接發送它們，以連接兩個時鐘。 光子穿過每個時鐘並與時鐘的原子相互作用，傳遞糾纏態。 相同的過程可以連接網路中的其他時鐘。 凱斯勒說，一旦所有時鐘都糾纏在一起，測量一個時鐘中的一個原子就可以從全球網路中每個時鐘的每個原子中獲取資訊。 實際上，所有這些原子將結合力量創造出一個極其精確的鐘擺。
把該計劃的所有方面放在一起——糾纏多個時鐘，每個時鐘都由糾纏的原子組成——結果是一個主世界時鐘，讓用戶能夠即時測量時間，其精度高達葉的尖端光學時鐘的10 倍。 世界標準制定時鐘首次實現完美同步。
天空是極限
增壓量子時鐘網路的作用遠不止於報時。 根據廣義相對論，時鐘的滴答速度略有不同，取決於作用在時鐘上的引力場的強度。 例如，GPS 衛星上的原子鐘每天比地面時鐘快約 45 微秒，因為地球對高空物體的引力比對地表物體的引力弱。
測量地球引力
在衛星內放置一個超精密時鐘，時間的波動將不僅僅取決於高度。 地球的引力在表面不同點處略有不同，取決於底層質量的大小。 葉說，兩顆配備超級時鐘的衛星可以掃描地球上的各個點，以發現隱藏的地質特徵，例如火山爆發前岩漿在地下遷移。
門羅建議在安全和防禦方面提出更宏偉、或許令人不安的應用。 他估計這些時鐘將能夠仔細繪製地球地形形狀，精確到毫米。 「你可以從太空看到有人在美墨邊境下挖隧道，」他說。 軍方可以讓兩顆衛星飛越敵人的地形，繪製出恐怖分子可能居住的每個洞穴的地圖。 「距離洞穴較近的衛星所受到的重力較小，因此比距離較遠的衛星運行得更快，」葉解釋道。
聽起來不錯，但物理學家在實現這些地球掃描衛星之前還有很長的路要走。 在嚴格控制的實驗室環境中糾纏 14 個原子與在分散在世界各地的十幾個時鐘中糾纏數千個原子有很大不同。 儘管將幾個光子傳送到 140 公里之外令人印象深刻，但量子時鐘網路必須始終如一地將單個光子從地面站傳輸到衛星並返回，同時保持粒子微妙的疊加態。
「我們離做到這一點還很遠，」門羅在聯合量子研究所的同事雅各布泰勒說。 門羅對此表示同意，但他表示，這個想法仍然給他留下了深刻的印象，因為它結合了物理學家正在追求的多項努力。 「它將量子資訊科學的多個方面融入到一個大的宇宙單元中，」門羅說。
例如，量子計算研究人員正在探索使糾纏原子能夠測量時間的相同機制（SN：2012 年 3 月 10 日，第 14 頁 26）。 量子電腦將利用原子或光子的疊加態（想想 Monz 的 14 個原子在測量之前）來儲存和處理大量資料。 傳統電腦的 14 個儲存單元可以保存 14 位元訊息，而 14 個量子位元或量子位元則可以同時保存 16,384 位元訊息。
同時，連接時鐘所需的隱形傳輸可以幫助創建安全的量子通訊網路。 物理學家設想建立量子通道，用戶可以在其中交換以疊加的原子或光子編碼的訊息，就像時鐘中的原子一樣。 試圖竊聽談話的竊聽者會擾亂這種脆弱的疊加狀態，暴露他們的存在。
量子糾纏和隱形傳態的潛在用途不勝枚舉，物理學家在擺弄量子力學提供的令人驚嘆的工具箱時將提出新的想法。 「這個領域一直在等待一個巨大的殺手級應用，」門羅說。
這種量子突破可能會以無與倫比的超級時鐘的形式出現。 「建造這樣一個全球設備是一個巨大的挑戰，」凱斯勒說。 “但所有的構建模組都在那裡。”
