镊子时钟的通用量子运算。图片来源：自然 （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-08005-8

物理学家喜欢测量事物，他们希望这些测量尽可能精确。这意味着在深不可测的小尺度上工作，其中的距离甚至比亚原子粒子的直径都小得多。研究人员还希望将时间测量精度降低到每百亿年不到一秒。在物理学中寻求这些超精密测量是量子计量学这一不断发展的领域的一部分。

现在，正如《自然》杂志报道的那样，由物理学教授 Manuel Endres 领导的加州理工学院团队开发了一种新设备，可以实现一些有史以来最精确的时间测量。该方法将最先进的原子钟与量子计算机相结合。

“我们的目标是达到大自然允许的终极精度，”Endres 说。“我们现在已经展示了实现这一目标的基石。”该研究的主要作者是前加州理工学院博士后学者 Ran Finkelstein（现任职于特拉维夫大学）以及加州理工学院研究生 Richard Bing-Shiun Tsai 和 Xiangkai Sun。

允许这些精确时间测量的设备将帮助物理学家更好地探索自然定律，例如阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，并研究物理学中一些最困难的问题，例如暗物质的性质。还需要这种详细的测量来探测引力波，即时空中的静默涟漪。（由加州理工学院和麻省理工学院管理的激光干涉引力波天文台 LIGO 最近在量子计量学方面取得了自己的里程碑。

Endres 的小组之前开发了“镊子钟”，它由中性锶原子阵列组成，其中每个原子都由激光（镊子）单独控制。镊子钟本身在标记时间流逝方面非常精确。在这项新研究中，研究人员展示了如何在镊子时钟中执行量子计算，以使时钟更加精确。

“原子钟使用量子力学来测量时间，而量子计算机使用量子力学来执行计算，”Endres 说。“在这里，我们在两者的界面上工作。”

挑战在于将原子纠缠在镊子时钟阵列中。纠缠是一种发生在量子尺度上的现象，其中粒子在没有直接接触的情况下连接在一起。“如果原子是纠缠的，你可以达到更高的精度，”Endres 说，“但我们需要一种非常具体的复杂纠缠形式。

这项新研究表明，这种纠缠是可能的，并且通常，量子计算机可以与原子钟等量子传感器集成。未来，研究人员希望进一步减少系统中的误差，使他们的时钟更接近理论精度极限。

更多信息：Manuel Endres，镊子钟的通用量子运算和基于 ancilla 的读出，Nature （2024）。DOI：10.1038/s41586-024-08005-8。www.nature.com/articles/s41586-024-08005-8

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