保持时间的实践取决于稳定的振荡。在落地钟中，一秒的长度由钟摆的一次摆动来标记。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(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当今的卫星通信、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声。轻微的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。消除此类环境影响可以提高时钟的精度。但也仅限于此。
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音，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，可以提高振荡器的稳定性，甚至超过其量子极限。
维维谢克说：“我们已经证明，激光器和时钟等振荡器的稳定性实际上是有限的，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晃动的事实。” Sudhir，麻省理工学院机械工程助理教授。“然后，我们已经证明，有一些方法甚至可以绕过这种量子力学震动。但你必须更聪明，而不仅仅是将物体与其环境隔离。你必须利用量子态本身。”
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，研究人员预计时钟、激光器和其他振荡器可以调整到超量子精度。然后，这些系统可用于跟踪时间上无限小的差异，例如量子计算机中单个量子位的波动或在探测器之间掠过的暗物质粒子的存在。
“我们计划在未来几年内展示具有量子增强计时能力的激光器的几个实例，”麻省理工学院物理系的研究生哈德森·洛夫林说。“我们希望我们最近的理论发展和即将进行的实验将提高我们准确计时的基本能力，并实现新的革命性技术。”
洛夫林和苏迪尔在《自然通讯》杂志上发表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，研究人员首先关注的是激光——一种产生高度同步光子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阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)和查尔斯·汤斯(Charles Townes)，他们根据其描述性缩写词创造了这个名字：受激辐射光放大。
激光器的设计以“激光介质”为中心，即原子的集合，通常嵌入玻璃或晶体中。在最早的激光器中，激光介质周围的闪光管会刺激原子中的电子跃升能量。当电子松弛回到较低能量时，它们会以光子的形式发出一些辐射。
激光介质两端的两个镜子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，而第二个镜子是部分透射的，并充当“耦合器”，以将一些光子提取为集中的激光束。
自从激光发明以来，肖洛和汤斯提出了一个假设，即激光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检验他们的假设。通过非常具体的计算，他们表明，激光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。
“但这项工作必须进行极其详细、精密的计算，这样才能理解极限，但仅限于特定类型的激光，”苏迪尔指出。“我们希望极大地简化这一过程，以了解激光器和各种振荡器。”
施加“挤压”
该团队并没有关注激光的物理复杂性，而是寻求简化问题。
“当电气工程师考虑制造一个振荡器时，他们会使用一个放大器，并将放大器的输出馈送到自己的输入中，”苏迪尔解释道。“这就像一条蛇吃自己的尾巴。这是一种极其解放的思维方式。你不需要知道激光的本质。相反，你有一个抽象的图片，不仅仅是激光，还有所有振荡器”。
在他们的研究中，研究小组绘制了类激光振荡器的简化表示。他们的模型由放大器(例如激光器的原子)、延迟线(例如光在激光器镜子之间传播的时间)和耦合器(例如部分反射镜)组成。
然后，研究小组写下了描述系统行为的物理方程，并进行了计算，看看系统中哪里会出现量子噪声。
“通过将这个问题抽象为一个简单的振荡器，我们可以查明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，”洛夫林说。“如果我们知道这两件事，我们就知道该振荡器稳定性的量子极限是多少。”
苏迪尔说，科学家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的量子极限。
更重要的是，该团队表明，如果两个来源之一中的量子噪声可以被“压缩”，那么这个量子极限可能会被克服。量子压缩是一种以系统某一方面的量子波动最小化为代价，而牺牲另一方面的波动按比例增加的想法。其效果类似于将空气从气球的一个部分挤压到另一部分。
就激光器而言，研究小组发现，如果耦合器中的量子涨落受到挤压，则可以提高出射激光束的精度或振荡时间，即使激光器功率中的噪声会随着一个结果。
“当你发现某个量子力学极限时，总会有人问这个极限的可塑性有多大?” 苏迪尔说。“这真的是一个硬停止，还是仍然可以通过操纵一些量子力学来提取一些能量?在这种情况下，我们发现存在，这是适用于一大类振荡器的结果。”