“量子摆钟”或揭示引力起源

参考消息网报道 据英国《新科学家》周刊网站5月27日报道，研究人员使用单个原子、微小的镜子和光，首次完整设计出一款量子摆钟。成功造出这款量子摆钟，可以帮助我们理解是什么让量子领域的时钟精确，并探索物理学前沿的一些想法。

在最基本的层面上，可以用一些简单的事物来计时，比如沙漏里的沙子。但是，自从人类在17世纪发明了摆钟等机械钟以来，计时方式变得更加精确。法兰西学院的马泰奥·布鲁内利和他的同事现在已经证明，还可以造出量子摆钟。

他说：“我们问自己这样一个问题：‘摆钟能按照量子力学定律运转吗？’我们以前无法确定。”

摆钟有三个基本元素。首先是钟摆，它摆动起来，让钟嘀嗒走时。接下来是钟内的重物，利用重力向下的力使钟摆动起来。最后，摆钟需要一个“擒纵机构”，它将钟摆的摆动转化为钟表指针的运动，并为钟摆提供微小的能量，防止摩擦使其减速。具体来说，为了使钟摆每次保持相同的左右摆动量，擒纵机构必须控制重物的上下运动。

研究人员开发了一个数学模型，用量子物体复制了摆钟的这些特征。在他们的设计中，量子摆钟是两个面朝彼此的镜子组成的腔体，其中一面镜子是固定的，另一面镜子可以来回振荡。在两面镜子之间有一个原子，它可以有三种不同的能量。腔体环境微小的温度波动使原子从一种能量转变为另一种能量，一些转变伴随着原子发射光子。这个光子在镜子之间来回反弹，使其中一面镜子振荡，类似于重物在重力影响下使钟摆运动。

原子发挥着擒纵机构的作用，在几种能量状态中反复转化，确保量子摆钟嘀嗒走时。布鲁内利说，这是最小的一种擒纵机构。该研究团队的数学分析表明，如果一切都按照理想状态调好，这个量子钟就会稳定、可靠地嘀嗒走时，就像摆钟那样。

布鲁内利说，与世界上最好的、需要激光控制的原子钟不同，量子钟将是自主的，更像是一台独立的热力学机器。他说，以前也有人设计过自主量子钟，但由于以前的量子钟没有通过擒纵机构保持每次相同的振荡，因此没有他们设计的量子钟精确。

事实上，新设计的量子钟打破了被称为“热力学不确定性关系”的精度限制，这种关系在过去限制了许多自主时钟。这是因为任何时钟的准确性都与使其倒转运行应付出多大的力有关，而这种新量子钟的准确性与它的不可逆性成正比，这种不可逆性被认为有助于特别准确地计时。

印度塔塔基础科学研究所的斯里纳特·马尼坎丹说，了解自主时钟对于理解计时至关重要，因为自主时钟不用依赖另一个时钟来保持准确，所以它们体现了计时过程的最基本状态。他说，我们在最基础的层面上对量子钟了解得越多，量子钟对探索新的物理学知识就越有用，比如引力在量子领域是如何变化的。马尼坎丹说：“深入了解时钟的工作机制是非常可取的，我认为这项新工作在这个方向上取得了重大进展。”

用微小的腔体和光子进行研究是很常见的，所以在实验室里建造这种新量子钟所需的许多要素都已经存在。但布鲁内利说，这种设计中的擒纵机构非常新颖，使得真正进行这样一个实验在技术上具有挑战性。他说：“但这并非完全不切实际。”（编译/胡雪）