量子
物理学家发现全新时间测量方式
在我们这个钟表滴答作响、钟摆来回摆动的世界里，时间的流逝似乎只是从“过去”到“现在”之间的秒数。
然而，在量子尺度上，电子跳跃不停，“过去”常常难以预测，而“现在”则模糊成一片迷雾。普通的秒表在这种情况下毫无用处。
2022年，瑞典乌普萨拉大学的研究者提出了一种可能的解决方案：从量子迷雾的形态中寻找答案。他们对一种称为里德伯态的波动性质进行了实验，揭示了一种无需精确起点的时间测量新方法。
里德伯原子堪称粒子界的“气球”，用激光而非空气膨胀。这些原子中的电子被激发到极高的能量状态，远离原子核运行。
但并不是每次激光照射都需要让原子膨胀到“卡通般”的程度。事实上，激光经常被用于将电子轻轻激发到更高的能量状态，用于各种科学应用。
在某些应用中，还可以通过第二束激光监测电子位置的变化，从而追踪时间的流逝。这类“泵浦-探测”技术常被用来测量超高速电子器件的速度。
将原子激发到里德伯态，是工程师设计量子计算机新元件时的一种得力工具。物理学家对电子在里德伯态中运动的方式积累了丰富的知识。
然而，作为量子世界的“生物”，电子的运动不像滑动算盘珠子那样整齐有序，而更像是在轮盘赌桌上的游戏，每一次跳跃都充满了随机性。
这种里德伯电子“轮盘赌”的数学规则被称为里德伯波包。就像实际的波一样，当多个里德伯波包在同一空间中相遇时，会产生干涉，形成独特的波纹图案。
如果让足够多的里德伯波包交汇在同一个原子“池塘”中，这些独特的波纹图案就能代表波包相互演化所需的时间。
正是这些时间的“指纹”吸引了实验背后的物理学家。他们证明了这些“指纹”具有足够的稳定性和可靠性，可以作为一种量子的时间标记方法。
研究团队通过测量激光激发的氦原子结果，并将其与理论预测对比，展示了如何用这些独特的结果标记时间的流逝。
“如果你用计数器，就必须定义一个起点，从某个时刻开始计数。”乌普萨拉大学的Marta Berholts博士在2022年接受《新科学家》采访时解释道，“而这种方法的好处是，你不需要启动时钟，只需看干涉结构，然后说‘哦，已经过去4纳秒了’。”
一本不断演化的里德伯波包指南，可以结合其他泵浦-探测光谱技术，用于那些“现在”和“过去”模糊不清或不便测量的微观事件中。
关键是，这些时间的指纹并不需要“过去”和“现在”作为起点或终点。就像用一组跑速固定的选手，来测量未知选手的比赛时间。
通过观察样本中干涉的里德伯态信号，技术人员可以为短至1.7皮秒的事件标记时间。
未来的量子时间实验可能用其他原子代替氦，或使用不同能量的激光脉冲，扩展时间指纹的数据库，以适应更多的条件需求。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。