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《自然》重磅:薛定谔猫态提升光钟精度,开启量子计量新时代

科学探索万象经验2024-10-12

近年来,量子计算和量子计量学取得了显著进展,光学原子钟成为了一个关键的研究领域。这些钟以其无与伦比的精度著称,现在通过使用多量子比特门和薛定谔猫态进一步提升。最近发表在《自然》的一项研究,探讨了这些先进量子技术在光钟中的整合,强调了它们在革命性时间测量和量子传感中的潜力。

光学原子钟是目前最精确的计时设备。它们通过测量原子(通常是锶或镱)在能级之间跃迁时吸收或发射的光的频率来工作。这些钟的精度对于全球定位系统、电信和基础物理研究等各种应用至关重要。

多量子比特门是量子计算中的基本组件,能够同时操纵多个量子比特。在光钟的背景下,这些门有助于创建纠缠态,这对于提高测量精度至关重要。由于其强相互作用和长相干时间,里德堡原子常用于实现这些门。

薛定谔猫态以著名的思想实验命名,是宏观上不同状态的叠加态。在量子计量学中,这些态可以用于实现超越标准量子极限(SQL)的精度。通过将多个量子比特纠缠在一个Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态中,研究人员可以创建增强光钟灵敏度的薛定谔猫态。

将多量子比特门和薛定谔猫态整合到光钟中涉及几个关键步骤:

量子比特的准备:使用光镊将原子捕获并冷却至接近绝对零度的温度。这确保了最小的热噪声并最大化相干时间。

纠缠生成:使用多量子比特里德堡门纠缠量子比特,创建GHZ态。然后操纵这些态形成薛定谔猫态。