麻省理工学院的研究人员提出，通过量子“挤压”，时钟可以保持更精确的时间

保持时间的做法取决于稳定的振荡。在祖父钟中，一秒的长度以钟摆的单次摆动为标志。在数字手表中，石英晶体的振动标记的时间要小得多。在原子钟这个世界上最先进的计时器中，激光束的振荡刺激原子以每秒92亿次的速度振动。这些最小、最稳定的时间划分为今天的卫星通信、GPS 系统和金融市场设定了时间。

时钟的稳定性取决于其环境中的噪音。微风会使钟摆的摆动不同步。热量会破坏原子钟中原子的振荡。消除这种环境影响可以提高时钟的精度。但只有这么多。

麻省理工学院的一项新研究发现，即使消除了来自外界的所有噪声，时钟、激光束和其他振荡器的稳定性仍然容易受到量子力学效应的影响。振荡器的精度最终将受到量子噪声的限制。

但从理论上讲，有一种方法可以突破这个量子极限。在他们的研究中，研究人员还表明，通过操纵或“挤压”导致量子噪声的状态，振荡器的稳定性可以得到改善，甚至超过其量子极限。

“我们所展示的是，像激光和时钟这样的振荡器的稳定性实际上是一个极限，这不仅取决于它们的环境，还取决于量子力学迫使它们稍微摇晃的事实，”麻省理工学院机械工程助理教授Vivishek Sudhir说。“然后，我们已经证明，你甚至可以绕过这种量子力学震动。但你必须更聪明，而不仅仅是将事物与环境隔离开来。你必须玩弄量子态本身。

该团队正在对他们的理论进行实验测试。如果他们能够证明他们可以操纵振荡系统中的量子态，研究人员设想时钟、激光和其他振荡器可以调谐到超量子精度。然后，这些系统可用于跟踪时间上极小的差异，例如量子计算机中单个量子比特的波动或暗物质粒子在探测器之间飞行的存在。

“我们计划在未来几年内展示几个具有量子增强计时能力的激光实例，”麻省理工学院物理系的研究生Hudson Loughlin说。“我们希望我们最近的理论发展和即将到来的实验能够提高我们准确记录时间的基本能力，并实现新的革命性技术。

Loughlin和Sudhir在发表在《 自然通讯》杂志上的一篇开放获取论文中详细介绍了他们的工作。

激光精度

在研究振荡器的稳定性时，研究人员首先将目光投向了激光——一种产生高度同步光子的波状光束的光学振荡器。激光的发明很大程度上归功于物理学家亚瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查尔斯·汤斯（Charles Townes），他们从其描述性的首字母缩略词中创造了这个名字：通过受激发射辐射进行光放大。

激光器的设计以“激光介质”为中心，即通常嵌入玻璃或晶体中的原子集合。在最早的激光器中，围绕激光介质的闪光管会刺激原子中的电子在能量上跳跃。当电子弛豫回低能量时，它们会以光子的形式发出一些辐射。激光介质两端的两个反射镜将发射的光子反射回原子中，以激发更多的电子，并产生更多的光子。一个镜子与激光介质一起充当“放大器”以促进光子的产生，而第二个镜子则部分透射并充当“耦合器”，将一些光子提取为集中的激光束。

自从激光器发明以来，Schawlow和Townes提出了一个假设，即激光器的稳定性应该受到量子噪声的限制。此后，其他人通过模拟激光的微观特征来测试他们的假设。通过非常具体的计算，他们表明，激光的光子和原子之间难以察觉的量子相互作用确实会限制其振荡的稳定性。

“但这项工作必须与极其详细、精细的计算有关，因此可以理解极限，但仅限于特定类型的激光，”Sudhir指出。“我们想极大地简化这一点，了解激光器和各种振荡器。

把“挤压”放在

该团队没有关注激光器的物理复杂性，而是希望简化问题。

“当电气工程师考虑制造振荡器时，他们会使用放大器，然后将放大器的输出馈入自己的输入，”Sudhir 解释道。“这就像一条蛇吃自己的尾巴。这是一种非常自由的思维方式。您不需要知道激光的细节。取而代之的是，你得到了一幅抽象的图片，不仅仅是激光，而是所有振荡器。

在他们的研究中，该团队绘制了一个类似激光振荡器的简化表示。他们的模型由一个放大器（例如激光的原子）、一个延迟块（例如，光在激光镜之间传播所需的时间）和一个耦合器（例如部分反射镜）组成。

然后，该团队写下了描述系统行为的物理方程，并进行了计算，以查看系统中量子噪声的哪个位置会出现。

“通过将这个问题抽象为一个简单的振荡器，我们可以确定量子涨落进入系统的位置，它们出现在两个地方：放大器和耦合器，使我们能够从振荡器中获取信号，”Loughlin说。如果我们知道这两件事，我们就知道振荡器稳定性的量子极限是什么。

Sudhir说，科学家们可以使用他们在研究中提出的方程来计算他们自己的振荡器中的量子极限。

更重要的是，该团队表明，如果两个来源之一的量子噪声可以被“挤压”，那么这个量子限制可能会被克服。量子压缩是以成比例增加另一个方面的波动为代价来最小化系统一个方面的量子涨落的想法。这种效果类似于将空气从气球的一部分挤压到另一部分。

在激光器的情况下，研究小组发现，如果耦合器中的量子涨落受到挤压，它可以提高出射激光束的精度或振荡时间，即使激光功率中的噪声会因此而增加。

“当你发现一些量子力学极限时，总会有一些问题，即这个极限的延展性如何？”Sudhir说。“这真的是一个硬停止，还是你仍然可以通过操纵一些量子力学来提取一些汁液？在这种情况下，我们发现有，这是一个适用于一大类振荡器的结果。

这项研究在一定程度上得到了美国国家科学基金会的支持。