新的纠缠技术可以使原子钟更准确

该图像说明了大量原子的缠结。紫色示出的原子相互缠结。

研究人员开发了一种新技术，可以用单一的光子缠结数千个原子，向大门打开一类新的纠缠态。

来自麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发了一种新技术，可以仅使用单个光子成功缠绕3,000个原子。今天发表的结果在“自然”期刊上，代表了曾经通过实验纠结的最多颗粒数量。

研究人员表示，该技术提供了一种生成缠绕原子的大型集合的现实方法，这是用于实现更多精确原子钟的关键部件。

“你可以做出一个photon不能改变3,000个原子的状态的论点，但这一个photon - 它建立了你之前没有的相关性，”麻省理工学院的莱斯特·沃尔夫教授莱斯特·沃尔夫教授物理学，论文的高级作者。“我们基本上开辟了我们可以制作的新一类纠缠的国家，但还有更多的新课程被探索。”

逼迫的本文的共同作者是罗伯特·麦康纳，郝张，嘉中胡省麻省理工学院，以及贝尔格莱德大学的森卡库克。

原子纠缠和计时

纠缠是一种好奇的现象：作为理论，可以以这样的方式相关的方式相关，即任何改变对一个的方式会同时改变另一个，无论它们有多远。例如，如果以缠绕对中的一个原子在以某种方式顺时针旋转，则其他原子会立即逆时针旋转，即使两者可以物理分离成千上万英里。

物理学家阿尔伯特爱因斯坦曾被认为是“在远处的幽灵动作”的现象，并不是由古典物理学的法律描述，而是通过量子力学来描述颗粒在纳米级粒子的相互作用。在这样的小鳞片中，已知诸如原子的颗粒以在宏观上的物质不同。

科学家一直在寻找纠缠不仅成对的方法，而是大量的原子;这种合奏可能是强大的量子计算机和更精确的原子钟的基础。后者是逼迫群体的动机。

今天的最佳原子时钟基于截留原子云中的自然振荡。作为原子振荡，它们用作摆锤，保持稳定的时间。通过原子云的时钟内的激光束可以检测原子的振动，这最终确定了单秒的长度。

“今天的时钟真的很棒，”velety说。“如果自大爆炸以来，他们将不到一分钟 - 这是今天存在最好的时钟的稳定性。我们希望进一步越来越厉害。“

原子钟的准确性随着越来越多的原子越来越振荡。传统的原子时钟的精度与原子数量的平方根成比例：例如，具有9次以上原子的时钟将仅为三倍。如果这些相同的原子被缠结，则时钟的精度可以与原子数量成正比 - 在这种情况下，九次是准确的。缠绕颗粒的数量越大，那么，越好的原子钟的计时。

拾取量子噪音

到目前为止，科学家们已经能够纠缠大量的原子，尽管大多数尝试只有在一组中的对之间产生纠缠。只有一个团队成功纠缠了100个原子 - 迄今为止最大的相互纠缠，只有一小部分整个原子合奏。

现在易态和他的同事在3,000个原子中成功地创造了相互纠缠的，几乎是集合中的所有原子，使用非常弱的激光 - 下降到含有单个光子的脉冲。光线较弱，较好，易怒，因为它不太可能破坏云。“该系统仍处于相对清洁的量子状态，”他说。

研究人员首先冷却了一云原子，然后将它们捕获在激光捕集器中，并通过云发送弱激光脉冲。然后，它们设置了一个检测器来寻找光束内的特定光子。逼得的推理，如果光子已经通过原子云而没有事件，其极化或振荡方向将保持不变。然而，如果光子已经与原子相互作用，则其极化略微旋转 - 它在旋转原子的集合中受到量子“噪声”影响的标志，噪声是旋转顺时针旋转的原子数量的噪声逆时针方向。

“每一个，然后，我们观察到一个传出的光子，其电场在垂直于传入光子的方向上振荡，”velety说。“当我们检测到这样的光子时，我们知道必须是由原子合奏引起的，并且令人惊讶的是，该检测产生了一个非常强烈的原子的纠缠状态。”

哥本哈根尼尔斯Bohr Institute of Cuteum Optics教授Eugene Polzik将本集团的成功相互纠缠在原子中为“卓越的成就”。

“该技术明显拓宽了在非古典纠缠州的原子合奏状态上产生和运营的选项，”波兹克斯没有参与研究。“因此，它对磁场和量子通信的时钟，量子感测量非常有用。”

逼近和他的同事目前正在使用单光子检测技术来构建他们希望将克服所谓的“标准量子限制”的最先进的原子钟 - 对量子的准确测量的限制系统。逼迫表示，本集团的当前设置可能是发展更复杂的纠缠态的一步。

“这种特殊的状态可以将原子钟提高两倍，”逼陷说。“我们正在努力制定更加复杂的状态，可以进一步走。”

该研究得到了国家科学基金会，国防高级研究项目机构和科学研究空军办公室的支持。

出版物：Robert McConnell等，等，“与一个Photon的近3,000个原子的负面Wigner函数的纠缠，”自然519,439-442（2015年3月26日）; DOI：10.1038 / Nature14293

图像：Christine Daniloff / Mit和Jose-Luis Olivares / MIT