量子表用全新方式测量时间

本文转自：参考消息网

据英国《新科学家》周刊网站10月24日报道，一种量子表不用计时就能显示时间。这种像码表一样观测量子实验的方法是一种看似简单——却总是准确——的测量时间流逝的方式。

报道称，瑞典乌普萨拉大学的玛尔塔·贝霍尔茨和她的同事们基于一种名为“泵浦探测实验”的研究开发出了这种时钟。在这种实验中，一束“泵浦”激光脉冲被射进原子云中，将原子提升到较高的能级，然后再用另一束功率较小的“探测”脉冲来测量泵浦的效果。

报道指出，这种实验对于材料科学的许多应用至关重要，特别是太阳能电池板的开发，但人们可能难以测量泵浦和探测脉冲之间的时间间隔。这种用氦原子制成的量子表解决了这个问题。

贝霍尔茨团队中同样来自乌普萨拉大学的龙尼·克努特说：“这是一种测量时间的全新方式。”他说：“对于其他时钟，你会努力通过把它变得越来越复杂来改进计时。而对于我们的时钟，我们实际上却完全反其道而行之——我们使用了基本上可以说是最简单的结构来显示时间。”

报道称，研究人员首先向氦原子云发射一束激光。这使得这些原子进入量子态叠加的状态，意味着它们同时处于多个能级。这些能级会相互作用——就像著名的双缝实验中一个光子能够同时通过两条狭缝一样——并创造出一个随时间推移而改变的干涉模式。

当研究人员对这种干涉模式进行短到1.7×10的负12次方秒的测量时，他们可以将它与干涉的模拟结果进行比较，找到两种模式相匹配的唯一时间片段，从而精确地知道氦原子处于叠加态的时间长短。这种干涉模式的无重复性使得研究人员很容易明确证明计时是准确的。

报道指出，这种方式的好处在于，与传统时钟不同，它不需要精确测量原子何时被置于叠加态。贝霍尔茨说：“如果使用计时器，你就必须确定零点。你得从某个点开始计时。”她说：“这种方式的好处是，你不必启动时钟——你只要看看干涉结构就可以说，‘好吧，已经4纳秒了’。”

澳大利亚昆士兰大学的杰拉德·米尔本说：“这是一项非常优雅的实验，在他们所说的泵浦探测实验中将会非常有用。”他说，这在较为常规的时间测量中并没有什么用，但在只需要测量两段时间之间延迟的实验中，这种方式可以非常准确。

报道称，在研究快速变化的小型系统时，此类实验十分普遍，因此提高精确度可能是至关重要的。这种方式使得研究人员能够以非常快的速度测量随时间推移而变化的系统，比如单个分子的解体、光与物质或暴露在磁场中的材料之间的量子相互作用等。