利用量子纠缠,全球的原子钟可以连为一体吗?

作者&投稿:战怪 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
利用量子纠缠,全球的原子钟可以连为一体吗?~

理论上可以,但是要提取信息,就必须测量,一旦测量,纠缠态就会破坏,因此你如果要保持纠缠态,就不能对它进行测量。假设有一个纠缠态存在,在A进行测量,波函数塌缩了,这时B处的状态的确发生了变化,但由于它本身并不处在一个测量行为中(否则波函数之前就塌缩了),因此在B处不可能实时得知这个变化。

量子纠缠很不同却也难以理解,不过也有方法可以让它很容易被理解。
加拿大多伦多大学的艾玛尔(Amar Vutha)的解释如下:量子计算机、量子密码学和与量子相关的东西都经常在新闻中被报道。关于他们的文章不可避免的都会提到纠缠,量子物理学的性质使得这些神奇的装置成为现实。

爱因斯坦将纠缠称为“幽灵般的超距作用”,这个名字逐渐被人们了解认识。远远超过建造量子计算机、在其他方面理解和利用纠缠也是非常有用的。举个例子,它可以用来测量引力波得到更精确的数据,是我们更好理解特殊材料的性质。它在其他领域也可以更准确的揭露:我一直研究粒子是怎么彼此碰撞形成纠缠,想理解它是如何影响原子钟的精确程度。

守恒定律守恒定律是所有物理学中最普遍最重要的概念。能量守恒定律是说一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变(它可以转换成电能、机械能或者热能等其他能量)。这个定律是我们所有机器运作的基础,不论他们是蒸汽机还是电车。守恒定律像是一种会计账户:你能改变周围少量的能量,但是总量必须保持一致。

动量守恒(动量是质量乘以速度)可以解释两个不同体重的滑冰运动员互相推开彼此,两人中体重轻的那个人可以滑的更快更远。这条定律也解释了那个著名的格言:对于每一个力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。(再一次拿滑冰运动员举例)角动能守恒则解释了一个旋转的滑冰运动员可以通过抓住她的手臂让自己更快的接近她。
法国的花样滑冰运动员加布里埃拉·帕帕达吉斯(Gabriella Papadakis)和吉约姆·西泽龙(Guillaume Cizeron)2019年在白俄罗斯举行的欧洲花样滑冰锦标赛证明了守恒定律的影响这些守恒定律已经通过实验证明了在宇宙中的大范围里他们都是起作用的,这个大范围从遥远星系里的黑洞一直到最小的旋转电子。


与量子有关的补充想象你自己在森林中有一个美好的徒步旅行。你在小路上遇到岔路,不过你无法决定到底走左边还是右边。通往左边的小路漆黑但尽头有美景;通往右边的小路阳光明媚但路途崎岖。你最后决定走右边,但仍心心念念左边那条路。在量子世界中,你两条路都可以选择。对于量子力学系统(其中所有的东西都是完全与高温和外部扰动分离),里面的规则更是有趣。像是抽陀螺,举个例子,一个原子可以保持顺时针旋转,亦或者保持逆时针旋转。尽管和抽陀螺不像,它仍然可以保持[顺时针旋转]+[逆时针旋转]的状态。量子系统可以加到一起也可以减去。从数学角度说,组合量子态的规则同样可以被描述成向量的加减规则。对于这样一个量子态组合,这个世界是叠加重合的。在奇怪的量子效应背后你可能听说过双缝实验或者波粒二象性。

物理学家计划利用“量子纠缠”超越任何单个原子钟的精度。研究者们表示,利用量子物理技术,他们可以建立原子钟全球网络,将比现有任何单原子钟都更加精确。

如果全球的原子钟真的可以连为一体,世界各国的国家间同步计时标准将首次实现统一。新技术不但可以增强空间导航能力,还将有助于对基础物理概念的探索,例如引力波的实质究竟是不是一种行波,可以在在时间和空间中传播。

“我们要多些想象力”,哈佛大学物理学家,该论文共同作者埃里克?凯斯勒(Eric Kessler)说,“构建原子钟量子网络的基本模块都已经在理论上证实了。我们想展示的是,如果将所有这些模块融合到一起将会出现什么。”哈佛大学的米哈伊尔?卢金(Mikhail Lukin)带领凯斯勒和他的同事们描绘了他们的超级量子时钟,并在《自然物理学》(Nature Physics)上发表了相关论文。

【纠缠的时间】

这一想法结合了当前两大热门研究领域。一是原子钟:因科学家们改进了测量带电粒子或原子的能态间的超高速波动的方法,提高了原子钟的精确度。第二个是量子纠缠。在量子纠缠中,一对粒子以某种方式连接,测量其中一个粒子的性质,同时便可确定另一个粒子也具有的性质。卢金研究组希望,把多个原子钟的原子,通过纠缠一个一个连接起来。

想象一下,天空中有10颗人造卫星,每颗都带有自己的原子钟,凯斯勒说。以其中一颗作为网络中心,准备好纠缠态的时钟粒子,然后与相邻的卫星通信,将纠缠延伸过去,就可以利用时钟粒子的纠缠,将卫星组成一个量子网络。

这种纠缠可以减少测量噪声,提高单台原子钟的精确性,而连接在网络中的每一台原子钟的性能都会有所提升。凯斯勒说,“这就好像每台独立的原子钟都在使用同一个巨大而精确精确钟摆一样。”

信息共享也使时钟更加稳定。每台时钟都可以向中心卫星发送临时更新,报告它们保持时间信息的状态。随后网络将对其整体性能进行微调,“如果网络中的时钟越多,性能就越好,”马里兰大学的物理学家克里斯托弗?门罗说。

更精确的计时有很多重要的应用,不仅可以让全球金融市场获得近乎完美的同步性,还可以提高卫星导航系统的性能。GPS对地面位置进行定位,需要精确的时间标准。其他更基本的应用可能包括探索广义相对论效应,因为连接的时钟同样将作为共同频率参考,可以用来探测时间和空间上的微小变化。

这些听起来,似乎让人觉得难以置信,这是因为要实现这种超级时钟,还有很长的路要走。尽管时钟网络的某些部分已经在实验室中实现了,但还有很多工作要做。例如目前已经同时纠缠了14个原子,但是连接的准确度仍然离真正的需求相去甚远。而且这种纠缠状态最适用于构建那种相连原子钟只产生不超过10个原子的网络,哥本哈根尼尔斯?波尔研究所的物理学家尤金?波尔齐克(Eugene Polzik)说,另外,目前还没有人可以验证空间中的纠缠现象。

科罗拉多大学和国家标准技术局的物理学家詹姆斯?汤普森(James Thompson)说,这篇论文很重要,因为它给出了利用量子纠缠提高科学家测量能力的方法,例如原子钟。“这是个大问题”他说,“每个人都希望我们将能产生许多纠缠现象,观察它并利用它做一些事情,但是实际上并非如此。”汤普森已经在实验室中致力于改善量子纠缠并让它更实用。

“毫无疑问这是一个非常有希望的计划”凯斯勒说,“我们有很长的路要走。”(作者:亚历山德拉?维茨;翻译:杨静琦)




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