原子鐘技術驗證時間可以存在量子疊加態：同一臺時鐘同時又快又慢

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引言：量子理論認爲，時間的流逝本身可以處在量子疊加態，同一檯鐘，可以同時走得快和走得慢。過去這只是個紙面上的設想，如今原子鐘技術，有望把它變成看得見的實驗結果。

2026年4月20日，美國史蒂文斯理工學院領銜的團隊把相關成果發在了《物理評論快報》雜誌上。

一、運動越快，時間走得越慢

1905 年，愛因斯坦在狹義相對論中提出了一個顛覆經典時空觀的核心論斷：時間並不是絕對且統一的存在，它的流逝速率會隨參考系的運動狀態發生改變。

這便是著名的「時間膨脹」效應：相對於靜止的觀測者而言，時鐘運動的速度越快，其自身經歷的時間流逝就越慢。

最著名的思想實驗叫雙生子佯謬便源於此：一對同卵雙胞胎，哥哥坐接近光速的飛船飛一圈回來，會比留在地球的弟弟年輕。

圖 | 這是雙生子佯謬最具代表性的科幻演繹：歷經近光速航行與強引力場的父親庫珀，固有時流逝速率遠低於地球參考系，歸來時容顏未改，而留守地球的女兒墨菲已至耄耋之年，直觀展現了相對論中時間流逝的相對性。 © 《星際穿越》

1971年，物理學家把四臺銫原子鐘裝上民航客機繞地球飛行一週，落地後對比發現，飛行中的時鐘確實走得更慢，偏差值與理論預測完全吻合。

再比如GPS衛星：每天繞地球一圈，星載時鐘比地面每天快約38微秒。如果不修正這個誤差，只需數小時，定位精度就會徹底失效。

圖 | 被動型星載氫原子鐘，每顆衛星及地面站裏都配備了一組原子鐘，時間信號隨星曆一同發送，在解算衛星位置的過程中，也能夠同時得到時間信息以及距離。 © Igor Pikovski / Stevens Institute of Technology

但上述所有現象都有一個共同前提：每臺時鐘都只走一條確定的時間線，速率要麼快、要麼慢，始終是單一值，因爲它們的運動狀態都處於經典層面，不存在疊加。

放到微觀量子世界，情況就完全不同了。

二、一臺鍾同時走出兩種時間

因爲粒子可以同時處於兩種不同的狀態，即量子疊加態。

物理學家由此提出了一個更大膽的問題：如果時鐘本身就是一個量子粒子，讓它同時以兩種速度運動，會發生什麼？

答案是，它將同時經歷兩種不同的時間流逝速率，同一臺時鐘，既在快進，也在慢走。

皮科夫斯基及其合作者早在十多年前就從理論上推導出了這一結論，其核心思想最早可追溯至2011年發表在《自然・通訊》上的一篇論文。

圖 | 皮科夫斯基在其史蒂文斯理工學院的研究辦公室內，其團隊長期主攻量子力學與相對論的交叉領域研究。© Stevens Institute of Technology

要在實驗中觀測到這一效應，對計時精度的要求達到了極致。

微觀粒子兩種運動態的速度差微乎其微，對應的時間流速差異更是小到難以察覺，普通計時工具完全無法分辨。這正是研究選用囚禁離子光學鐘的核心原因。

簡單來說：原子鐘是所有以原子能級躍遷爲基準的計時裝置的總稱，囚禁離子光學鍾是其中精度頂尖的一個分支。

但要讓一臺離子鍾真正呈現出兩條時間線，難度同樣極大。

原子鐘中的離子被激光冷卻至接近絕對零度，運動速度極慢，兩種運動狀態的速度差微乎其微，對應的時間流逝差異也就極小。

圖 | 一枚25美分硬幣旁的離子阱實物：金色銅條之間的細縫裏，囚禁着一對離子（一顆當「鐘擺」做計時，一顆負責幫它讀取信號）。這正是論文裏所說的「囚禁離子光學鍾」的核心器件。© J. Koelemeij / NIST

其理論預言的效應信號強度，遠低於當時最精密儀器的探測極限。

雖然理論上成立，實驗上卻一直未能實現。

三、觀測核心：干涉條紋的對比度

驗證時間疊加效應的核心手段是量子干涉。

將離子鐘的內部量子狀態一分爲二，讓兩個分支各自經歷演化後再重新匯合，便會形成明暗相間的干涉條紋。

就像肥皂泡上的彩紋，哪怕極微小的差異，都會被幹涉效應放大顯現。

圖 | 該圖爲囚禁離子光學鍾驗證時間量子疊加效應的原理示意圖：(a)經典運動態，單個離子時鐘在諧波勢阱中做確定的簡諧運動，對應單一恆定的時間流逝速率；(b)疊加態製備，通過激光操控使離子運動進入量子疊加態，同一臺時鐘同時具備兩種運動模式，對應兩種時間流速；(c)時間分化演化，兩個疊加的運動分量沿勢阱向兩側振盪，因運動速度不同產生相對論時間膨脹差異，各自經歷不同速率的固有時；(d)量子干涉重合，兩個運動波包返回勢阱底部匯合並干涉，時間流速差異累積的相位差使時鐘態彌散，干涉條紋對比度下降；(e)壓縮態信號放大，通過量子壓縮技術重構波函數，將時間疊加產生的相位差成倍放大，使信號強度達到現有儀器的可探測範圍。 © Sorci G,Foo J,Leibfried D,Sanner C,Pikovski I(2026),Phys.Rev.Lett.136,163602（論文Figure1）

如果兩個分支確實經歷了不同速率的時間流逝，匯合時的相位差就會出現彌散，干涉條紋隨之模糊、對比度下降。條紋模糊的程度，直接對應時間疊加的效應強度。

理論層面，時間疊加必然導致條紋對比度下降；但在實驗中，這種模糊幅度同樣也是遠低於當時儀器的探測極限，十幾年來始終未能被實測驗證。

四、研究將「時間疊加」從純理論推導推至實驗可及的門檻

研究團隊的方案核心可拆解爲兩個環節。

1、精度基礎

當前最頂尖的囚禁離子光學鍾，已能通過激光勢阱囚禁單個鋁離子(²⁷Al⁺)或鐿離子，並冷卻至接近絕對零度，其計時精度已經邁入該效應的理論可探測範圍。

論文作者所屬的史蒂文斯理工學院理論團隊，聯合美國國家標準與技術研究院（NIST）、科羅拉多州立大學的實驗團隊，正是該領域的核心研究力量。

圖 | （從左至右）梅森・馬歇爾、戴維・休謨、威拉-阿瑟德沃沙克與丹尼爾・羅德里格斯・卡斯蒂略站在美國國家標準與技術研究院的鋁離子鍾前。經過近期技術改進，該時鐘可爲重新定義秒的相關工作鋪平道路，同時助力探索物理學領域的全新構想。 © R. Jacobson/NIST

2、效應放大

前面已經提到，僅靠現有精度仍不夠，離子在光鍾內部的運動速率極低，兩種疊加態的速度差微乎其微。

團隊的核心手段，是用激光將離子的運動狀態製備成壓縮態。

壓縮後，位置與速度的量子不確定性會被集中到同一個維度，另一維度的狀態分佈則被相應拉長。壓縮態本是量子光學的成熟技術，經過態壓縮，時間疊加造成的相位錯位會被成倍放大。

論文給出了明確的定量計算結果：

只要壓縮態製備達標，採用現有的²⁷Al⁺離子鍾，干涉條紋的對比度下降幅度就可被當前最先進的探測系統觀測到。

如果換用質量更輕的¹⁰B⁺離子（能級躍遷頻率119 THz），同等條件下條紋可見度可降至約0.76，意味着條紋會出現明顯的明暗衰減，可以直接觀測到。

圖 | 論文給出的實驗觀測方案。左側圓球代表冷卻到基態的離子；中間經過壓縮算符，位置分佈被拉成橢圓；到Ramsey時間後，|g⟩ 與 |e⟩ 兩支各自走不同的時間（藍、橙兩簇），二者形成糾纏；最末時鐘因不同運動能而走散，干涉條紋對比度下降。© Sorci G, Foo J, Leibfried D, Sanner C, Pikovski I (2026), Phys. Rev. Lett. 136, 163602（論文Figure 2）

研究還順帶推導出了兩項額外的量子效應：

• 絕對零度下真空本身的「量子漲落」會使時鐘產生微小變慢，相對頻移約爲5×10⁻¹⁹量級，未來有望實現測量；

• 另一項純量子起源的頻移幅度更小，目前完全不具備觀測條件。

這兩項雖非研究核心，但也印證了時間在量子層面會呈現出經典時鐘中不存在的全新特性。

五、總結一下

時間疊加並非時間倒流或穿越，只是同一時刻下時間流速的疊加，不違背因果律。同一檯鐘同時更快又更慢僅適用於單個量子粒子，宏觀物體因退相干效應無法維持這種狀態；

該研究目前僅完成理論與可行性論證，實驗觀測尚未開展，以現有原子鐘技術水平，實測驗證只是時間問題。

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本期參考文獻：

[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] 新華網.原子鐘技術驗證時間存在量子疊加態 [EB/OL]. 2026-04-22.

[3] 新華網.專家：時間或能同時以快慢兩種速度流逝 [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.