JILA的研究人员首次将原子钟中的几个原子分离出来并精确测量了它们的多粒子相互作用。这一进展将有助于科学家控制相互作用的量子物质，这有望提高原子钟，许多其他类型传感器和量子信息系统的性能。这项研究在10月31日早期在线发表的自然论文中有所描述.JILA由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。

NIST科学家多年来一直在预测“多体”物理及其益处，但新的JILA工作提供了第一个定量证据，证明将几个费米子组合在一起时究竟发生了什么 - 原子不能处于相同的量子态和位置同一时间。NIST和JILA研究员Jun Ye说：“当多个粒子 - 原子在这里相互作用时，我们正试图理解复杂性的出现。”“尽管我们可以完全理解两个原子如何相互作用的规则，但当多个原子聚集在一起时，总会有惊喜。我们希望定量地理解这些惊喜。”

今天用于测量时间和频率等数量的最佳工具是基于单个量子粒子的控制。即使在原子钟中使用数千个原子的集合时也是如此。这些测量接近所谓的标准量子极限 - 一个“墙”阻止了使用独立粒子的进一步改进。利用多粒子相互作用可以将墙壁推回或甚至突破它，因为工程量子态可以抑制原子碰撞并保护量子态免受干扰或噪声。此外，这些系统中的原子可以被安排来抵消彼此的量子噪声，使得随着更多原子的添加，传感器将变得更好，从而实现精确度和数据承载能力的显着飞跃。

在新的研究中，JILA团队使用了他们的三维锶晶格时钟，提供精确的原子控制。他们为每个格子单元创建了一到五个原子的阵列，然后使用激光将时钟设置为“滴答”，或者在原子中的两个能级之间以特定频率切换。JILA的新成像技术用于测量原子的量子态。当三个或更多原子在一起时，研究人员观察到了意想不到的结果。根据过去的经验，结果是非线性的或不可预测的，这是多粒子相互作用的标志。研究人员将他们的测量结果与NIST同事Ana Maria Rey和Paul Julienne的理论预测相结合，得出多粒子相互作用的结论。

具体来说，当三个或更多原子位于晶格位置时，时钟的频率以意想不到的方式移动。这种转变与人们对各种原子对的总结不同。例如，与通常预期的相比，每个电池五个原子导致20%的变化。“一旦你每个细胞得到三个原子，规则就会改变，”叶说。他说，这是因为原子的核自旋和电子配置共同作用来确定整体量子态，并且原子可以全部相互作用而不是成对地相互作用。

多颗粒效应也以不寻常的快速衰变过程的形式出现在拥挤的晶格细胞中。每个三元组中的两个原子形成一个分子，一个原子保持松​​散，但都有足够的能量逃离陷阱。相比之下，单个原子可能会在细胞中停留更长时间，Ye说。“这意味着，我们可以确保原子钟中每个细胞只有一个原子，”叶说。“了解这些过程将使我们能够找到更好的时钟来改进时钟，因为如果我们将足够的时间装在附近以提高信号强度，粒子将不可避免地相互作用。”

JILA团队还发现，将三个或更多原子包装到一个单元中可能会导致长寿命，高度纠缠的状态，这意味着原子的量子特性以稳定的方式相关联。这种纠缠多个原子的简单方法可能是量子信息处理的有用资源。这项研究得到了NIST，国防高级研究计划局，陆军研究办公室，空军科学研究办公室，国家科学基金会和美国国家航空航天局的支持。