原子鐘在現代科技中扮演著至關重要的角色，廣泛應用於 GPS、網上交易及數據網絡中。最近，麻省理工學院的物理學家們開發出了一項技術，成功將光學原子鐘的精確度增強一倍，這一突破是通過克服量子噪聲的影響來實現的。量子噪聲是一種在測量原子振盪時的基本限制，這項研究的進展不僅有助於提升原子鐘的性能，還可能促進小型可攜式鐘的研發，這些鐘能夠探測暗物質、預測地震以及檢驗物理學的基本法則。
原子鐘的時間測量基於原子的穩定振盪。傳統的原子鐘使用銫原子，這些原子每秒振盪超過 100 億次。而最新的光學原子鐘則採用了更快的原子，例如釔，這些原子每秒能振盪高達 100 兆次。不過，量子噪聲限制了其穩定性，遮蔽了原子的自然節奏。麻省理工學院的研究團隊發現，一種原本被認為無關緊要的激光效應，實際上可以改善鐘的穩定性。他們提出的全球相位光譜學方法，利用激光激發的「全球相位」來增強釔原子的振盪信號，從而使得鐘能夠每秒檢測到兩倍的「滴答」次數。
研究的首席作者 Leon Zaporski 表示：「我們發現，現在能夠在不受到量子噪聲限制的情況下，解析出更小的光學頻率差異，或者說鐘的滴答頻率。」這一成果建立在麻省理工學院多年來的量子計時研究基礎上。早在 2020 年，物理學家 Vladan Vuletić 和他的團隊就展示了通過糾纏原子來改善精度的可能性，這種方法能夠重新分配噪聲。團隊在鏡子之間冷卻並捕捉了數百個釔原子，然後利用激光使它們糾纏在一起，進一步提高了其集體的滴答精度。
隨著研究的深入，2022 年，研究人員開發了一種「時間反轉」技術，這種技術使得糾纏原子在短暫時間內解除糾纏，從而放大激光與原子滴答速率之間的信號差異。儘管當時的工作主要集中在較慢的微波鐘上，但這一方法的成功為光學鐘的穩定性提升鋪平了道路。Vuletić 說：「當原子的滴答速度達到每秒 100 兆次時，這是微波頻率的 10,000 倍。我們當時並不知道如何將這些方法應用於更高頻率的光學鐘。」
在最新的研究中，團隊成功地將時間反轉的概念應用於光學鐘。當激光與糾纏的原子相互作用時，會留下微妙的痕跡，這種痕跡被稱為「全球相位」，它攜帶著有關激光頻率的信息。通過增強這一相位信號，研究人員能夠更有效地檢測和修正激光的漂移。Vuletić 指出：「人們可能會認為我們沒有做什麼，但這個全球相位包含了激光頻率的信息，這在傳統上被認為是無關緊要的。」
這一技術的發展有望使光學鐘變得更小、更穩定，並且能夠在高端實驗室以外的環境中使用。研究小組相信，他們的方法可以幫助這些鐘變得便於攜帶，並能部署到需要的地方。這項研究已經在《自然》期刊上發表，並得到了美國海軍研究辦公室、國家科學基金會、國防高級研究計劃署及美國能源部的支持。
