研究人员表示，通过利用量子物理学的技巧，他们可以构建一个全球原子钟网络，其精度远高于当今存在的任何单个时钟。
这个全球联网将使各国能够同步计时标准并改进空间导航。它还可以帮助探索基础物理学概念，例如长期寻求的、被认为在空间和时间中传播的引力波。
“我们试图有点前瞻性，”共同作者，哈佛大学（位于马萨诸塞州剑桥市）的物理学家埃里克·凯斯勒说。“所有的构建模块都已在原理上得到证明，我们想展示如果所有这些领域融合在一起，未来可能会出现什么。”凯斯勒和他的同事，在哈佛大学的米哈伊尔·卢金的领导下，今天在自然物理杂志上描述了这种量子超级时钟。
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纠缠的时间
这个想法结合了两个流行的研究趋势。第一个是原子钟，随着科学家改进测量带电粒子或原子能量状态中超快波动的方法，原子钟变得越来越精确。第二个是量子纠缠，其中粒子对以某种方式连接起来，使得测量其中一个粒子的属性会立即确定另一个粒子的相同属性。卢金的研究小组希望采用多个原子钟，并将一个时钟中的原子与下一个时钟中的原子纠缠起来。
凯斯勒说，想象一下一组绕地球运行的十颗卫星，每颗卫星都携带自己的原子钟。作为网络中心的卫星将首先准备好其时钟粒子处于纠缠态。然后，它将与邻近卫星通信，以在那里扩展纠缠。这种连接最终将遍布整个卫星群，将卫星连接成一个量子网络。
纠缠提高了原子钟的精度，因为它减少了测量噪声（参见“原子钟使用量子计时”）。因此，凯斯勒说，连接网络中的所有时钟都比每个时钟单独工作时表现更好。“时钟的行为就像它们有一个巨大的单摆一样，这具有更好的精度，”他说。
共享信息也使时钟更稳定。各个时钟可以向中心卫星发送偶尔的更新，报告它们计时的好坏。然后，网络可以微调其整体性能。“如果网络中有更多的时钟，它只会使它成为更好的机器，”马里兰大学帕克分校的物理学家克里斯托弗·门罗说。
更好的计时将使全球金融市场能够在近乎完美的同步状态下运行。时钟网络还可用于提高全球定位系统 (GPS) 卫星的性能，GPS 卫星依靠精确的时间标准来精确定位地面位置。其他更基础的应用可能包括探索广义相对论的影响，因为连接的时钟也将充当通用频率参考，可用于检测空间和时间中的细微变化。
如果这一切听起来好得令人难以置信，那是因为超级时钟离现实还很遥远。尽管时钟网络的某些部分已在实验室中制造出来，但仍有许多工作要做。例如，一次最多可以纠缠 14 个原子，但是该连接的保真度远低于网络中每个时钟所需的保真度。哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的物理学家尤金·波尔齐克说，对于链接时钟最有用的纠缠态仅针对少于 10 个原子生成。而且没有人接近在太空中演示纠缠。
科罗拉多州博尔德市 JILA（科罗拉多大学和国家标准与技术研究所的联合机构）的物理学家詹姆斯·汤普森说，这篇论文很重要，因为它阐述了量子纠缠可以提高科学家进行测量（例如原子钟）能力的方式。“这意义重大，”他说。“每个人都理所当然地认为我们将能够产生大量的纠缠并观察它并用它做事情，但这实际上并非如此。”汤普森一直在努力改进实验室中的量子纠缠，使其更实用。
“毫无疑问，这是一个非常具有未来感的提议，”凯斯勒说。“我们还有很长的路要走。”