原子钟技术验证时间可以存在量子叠加态：同一台时钟同时又快又慢

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引言：量子理论认为，时间的流逝本身可以处在量子叠加态，同一台钟，可以同时走得快和走得慢。过去这只是个纸面上的设想，如今原子钟技术，有望把它变成看得见的实验结果。

2026年4月20日，美国史蒂文斯理工学院领衔的团队把相关成果发在了《物理评论快报》杂志上。

一、运动越快，时间走得越慢

1905 年，爱因斯坦在狭义相对论中提出了一个颠覆经典时空观的核心论断：时间并不是绝对且统一的存在，它的流逝速率会随参考系的运动状态发生改变。

这便是著名的「时间膨胀」效应：相对于静止的观测者而言，时钟运动的速度越快，其自身经历的时间流逝就越慢。

最著名的思想实验叫双生子佯谬便源于此：一对同卵双胞胎，哥哥坐接近光速的飞船飞一圈回来，会比留在地球的弟弟年轻。

图 | 这是双生子佯谬最具代表性的科幻演绎：历经近光速航行与强引力场的父亲库珀，固有时流逝速率远低于地球参考系，归来时容颜未改，而留守地球的女儿墨菲已至耄耋之年，直观展现了相对论中时间流逝的相对性。 © 《星际穿越》

1971年，物理学家把四台铯原子钟装上民航客机绕地球飞行一周，落地后对比发现，飞行中的时钟确实走得更慢，偏差值与理论预测完全吻合。

再比如GPS卫星：每天绕地球一圈，星载时钟比地面每天快约38微秒。如果不修正这个误差，只需数小时，定位精度就会彻底失效。

图 | 被动型星载氢原子钟，每颗卫星及地面站里都配备了一组原子钟，时间信号随星历一同发送，在解算卫星位置的过程中，也能够同时得到时间信息以及距离。 © Igor Pikovski / Stevens Institute of Technology

但上述所有现象都有一个共同前提：每台时钟都只走一条确定的时间线，速率要么快、要么慢，始终是单一值，因为它们的运动状态都处于经典层面，不存在叠加。

放到微观量子世界，情况就完全不同了。

二、一台钟同时走出两种时间

因为粒子可以同时处于两种不同的状态，即量子叠加态。

物理学家由此提出了一个更大胆的问题：如果时钟本身就是一个量子粒子，让它同时以两种速度运动，会发生什么？

答案是，它将同时经历两种不同的时间流逝速率，同一台时钟，既在快进，也在慢走。

皮科夫斯基及其合作者早在十多年前就从理论上推导出了这一结论，其核心思想最早可追溯至2011年发表在《自然・通讯》上的一篇论文。

图 | 皮科夫斯基在其史蒂文斯理工学院的研究办公室内，其团队长期主攻量子力学与相对论的交叉领域研究。© Stevens Institute of Technology

要在实验中观测到这一效应，对计时精度的要求达到了极致。

微观粒子两种运动态的速度差微乎其微，对应的时间流速差异更是小到难以察觉，普通计时工具完全无法分辨。这正是研究选用囚禁离子光学钟的核心原因。

简单来说：原子钟是所有以原子能级跃迁为基准的计时装置的总称，囚禁离子光学钟是其中精度顶尖的一个分支。

但要让一台离子钟真正呈现出两条时间线，难度同样极大。

原子钟中的离子被激光冷却至接近绝对零度，运动速度极慢，两种运动状态的速度差微乎其微，对应的时间流逝差异也就极小。

图 | 一枚25美分硬币旁的离子阱实物：金色铜条之间的细缝里，囚禁着一对离子（一颗当「钟摆」做计时，一颗负责帮它读取信号）。这正是论文里所说的「囚禁离子光学钟」的核心器件。© J. Koelemeij / NIST

其理论预言的效应信号强度，远低于当时最精密仪器的探测极限。

虽然理论上成立，实验上却一直未能实现。

三、观测核心：干涉条纹的对比度

验证时间叠加效应的核心手段是量子干涉。

将离子钟的内部量子状态一分为二，让两个分支各自经历演化后再重新汇合，便会形成明暗相间的干涉条纹。

就像肥皂泡上的彩纹，哪怕极微小的差异，都会被干涉效应放大显现。

图 | 该图为囚禁离子光学钟验证时间量子叠加效应的原理示意图：(a)经典运动态，单个离子时钟在谐波势阱中做确定的简谐运动，对应单一恒定的时间流逝速率；(b)叠加态制备，通过激光操控使离子运动进入量子叠加态，同一台时钟同时具备两种运动模式，对应两种时间流速；(c)时间分化演化，两个叠加的运动分量沿势阱向两侧振荡，因运动速度不同产生相对论时间膨胀差异，各自经历不同速率的固有时；(d)量子干涉重合，两个运动波包返回势阱底部汇合并干涉，时间流速差异累积的相位差使时钟态弥散，干涉条纹对比度下降；(e)压缩态信号放大，通过量子压缩技术重构波函数，将时间叠加产生的相位差成倍放大，使信号强度达到现有仪器的可探测范围。 © Sorci G,Foo J,Leibfried D,Sanner C,Pikovski I(2026),Phys.Rev.Lett.136,163602（论文Figure1）

如果两个分支确实经历了不同速率的时间流逝，汇合时的相位差就会出现弥散，干涉条纹随之模糊、对比度下降。条纹模糊的程度，直接对应时间叠加的效应强度。

理论层面，时间叠加必然导致条纹对比度下降；但在实验中，这种模糊幅度同样也是远低于当时仪器的探测极限，十几年来始终未能被实测验证。

四、研究将「时间叠加」从纯理论推导推至实验可及的门槛

研究团队的方案核心可拆解为两个环节。

1、精度基础

当前最顶尖的囚禁离子光学钟，已能通过激光势阱囚禁单个铝离子(²⁷Al⁺)或镱离子，并冷却至接近绝对零度，其计时精度已经迈入该效应的理论可探测范围。

论文作者所属的史蒂文斯理工学院理论团队，联合美国国家标准与技术研究院（NIST）、科罗拉多州立大学的实验团队，正是该领域的核心研究力量。

图 | （从左至右）梅森・马歇尔、戴维・休谟、威拉-阿瑟德沃沙克与丹尼尔・罗德里格斯・卡斯蒂略站在美国国家标准与技术研究院的铝离子钟前。经过近期技术改进，该时钟可为重新定义秒的相关工作铺平道路，同时助力探索物理学领域的全新构想。 © R. Jacobson/NIST

2、效应放大

前面已经提到，仅靠现有精度仍不够，离子在光钟内部的运动速率极低，两种叠加态的速度差微乎其微。

团队的核心手段，是用激光将离子的运动状态制备成压缩态。

压缩后，位置与速度的量子不确定性会被集中到同一个维度，另一维度的状态分布则被相应拉长。压缩态本是量子光学的成熟技术，经过态压缩，时间叠加造成的相位错位会被成倍放大。

论文给出了明确的定量计算结果：

只要压缩态制备达标，采用现有的²⁷Al⁺离子钟，干涉条纹的对比度下降幅度就可被当前最先进的探测系统观测到。

如果换用质量更轻的¹⁰B⁺离子（能级跃迁频率119 THz），同等条件下条纹可见度可降至约0.76，意味着条纹会出现明显的明暗衰减，可以直接观测到。

图 | 论文给出的实验观测方案。左侧圆球代表冷却到基态的离子；中间经过压缩算符，位置分布被拉成椭圆；到Ramsey时间后，|g⟩ 与 |e⟩ 两支各自走不同的时间（蓝、橙两簇），二者形成纠缠；最末时钟因不同运动能而走散，干涉条纹对比度下降。© Sorci G, Foo J, Leibfried D, Sanner C, Pikovski I (2026), Phys. Rev. Lett. 136, 163602（论文Figure 2）

研究还顺带推导出了两项额外的量子效应：

• 绝对零度下真空本身的「量子涨落」会使时钟产生微小变慢，相对频移约为5×10⁻¹⁹量级，未来有望实现测量；

• 另一项纯量子起源的频移幅度更小，目前完全不具备观测条件。

这两项虽非研究核心，但也印证了时间在量子层面会呈现出经典时钟中不存在的全新特性。

五、总结一下

时间叠加并非时间倒流或穿越，只是同一时刻下时间流速的叠加，不违背因果律。同一台钟同时更快又更慢仅适用于单个量子粒子，宏观物体因退相干效应无法维持这种状态；

该研究目前仅完成理论与可行性论证，实验观测尚未开展，以现有原子钟技术水平，实测验证只是时间问题。

查证资料、整理文稿花费不少时间，感谢大家的点赞、盒电和收藏。

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本期参考文献：

[1] Sorci G, Foo J, Leibfried D, Sanner C, Pikovski I. Quantum Signatures of Proper Time in Optical Ion Clocks [J]. Physical Review Letters, 2026, 136(16): 163602. DOI: 10.1103/qhj9-pc2b.

[2] 新华网.原子钟技术验证时间存在量子叠加态 [EB/OL]. 2026-04-22.

[3] 新华网.专家：时间或能同时以快慢两种速度流逝 [EB/OL]. 2026-05-06.

[4] Stevens Institute of Technology. Scientists at Stevens Institute of Technology Reveal That Time Can Go Quantum in Ion Clock Experiments [EB/OL]. 2026-04-20.

[5] Zych M, Costa F, Kofler J, et al. Quantum interferometric visibility as a witness of general relativistic proper time [J]. Nature Communications, 2011, 2: 505.