物理精确更精确
量子噪声
计时的精确度与稳定的周期性振荡有关。以落地式的摆钟为例，一秒的长度是由摆的一次摆动决定的。对电子钟来说，石英晶体的振荡能够以比一秒要短得多的时间间隔来记录时间。在原子钟中，激光束的振荡可以激发原子每秒振荡92亿次，这种稳定程度甚至超过了自然行星系统的运行，使得原子钟是目前世界上最先进的计时器。
然而，这并不意味着原子钟就是完美无缺的。振荡的稳定性取决于它所处环境中的噪声。对于落地式的摆钟来说，一阵微风就能扰乱摆的摆动；而原子钟中的原子振荡，也可能受到热量的干扰。消除这些环境影响，就可以在一定程度上提高时钟的精度。
但是，即使来自外部世界的所有噪音都被消除，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。因此，所有振荡器的精度，最终都会受到量子噪声的限制。在一项新发表于《自然通讯》的研究中，一组研究人员表明，从理论上看，这个量子极限是可以被突破的：通过操纵或“挤压”会造成量子噪声的状态，可以提高振荡器的稳定性，甚至超越其量子极限。
激光精密
在研究振荡器的稳定性时，研究人员首先将目光投向了激光器。在激光器的设计中，“激光介质”是一个重要的组成部分，这些激光介质是一组原子，通常嵌入玻璃或晶体中。在最早的激光器中，一个围绕激光介质的发光管，会激发原子中的电子发生能级跃迁。当电子返回到较低的能量状态时，它们会以光子的形式释放出一些辐射。
在激光介质的两端各有一个反射镜，通常一个是完全反射镜，另一个是部分反射镜。这两个反射镜它们会将发射的光子反射回原子中，从而激发更多电子，产生更多的光子。完全反射镜和激光介质一起，扮演了“放大器”的角色，促进了光子的产生；而部分反射镜则可以让光逸出，它扮演了“耦合器”的角色，将一些光子集中成为激光束。
自激光器出现以来，为激光器的发明做出了重要贡献的阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查尔斯·汤斯（Charles Townes）就提出了一个猜测，即激光器的稳定性应该受到量子噪声的限制。
从那以后，其他科学家通过模拟激光器的微观特征来检验他们的猜测，并通过进行一些非常特定的计算，证实了激光器的光子和原子之间的难以察觉的量子相互作用，确实会限制振荡的稳定性。但这类研究需要极其详细、精密的计算，而且这些计算通常只适用于某种特定的激光器，无法了解其他激光器和各种振荡器的量子极限。
施加“挤压”
在新的研究中，研究人员绕过了激光的物理复杂性，而是借用电气工程师在制作振荡器时的思维，将问题进行简化：在制作振荡器时，电气工程师需要用到一个放大器，并将放大器的输出输入进输入中，就像一条蛇在吃自己的尾巴。
在这种思维方式下，研究人员可以在无需知道太多细节的情况下，创建一个简化的、抽象的振荡器模型：他们的模型由一个放大器（如激光中的原子）、一条延迟线（如光在激光的反射镜之间传播的时间）和一个耦合器(比如一面能部分反射的镜子）组成。然后，他们写下了描述这个系统行为的物理方程，并对系统中的量子噪声会在哪里出现进行了计算。
通过将这个问题抽象化，变成一个简单的振荡器，研究人员确定了量子涨落进入系统的两个位置：一个是放大器，另一个是耦合器。研究人员表示，一旦知道了这两个信息，就可以知道振荡器稳定性的量子极限是什么。
更重要的是，研究团队表明，如果这两个位置中的量子涨落中的其中一个能被“挤压”，那么这个量子极限就有可能被克服。所谓量子挤压，指的是将系统的某一方面的量子涨落最小化，但代价是另一方面的量子涨落会成比例增加，类似于将空气从气球的一端挤压到另一端。以激光为例，如果耦合器中的量子涨落被挤压了，就可以提高输出激光束的精度，但激光器的功率噪声会因此增加。
将理论变为实践
新的研究结果表明，像激光和时钟这样的振荡器的稳定程度实际上是有极限的，这不仅取决于它们的环境，还取决于量子力学的影响。而研究人员已经证明，在理论上，是有可能绕过这种量子力学的影响的。
现在，研究人员正在对他们的理论结果进行实验。如果他们能够证明他们可以操纵振荡系统中的量子态，就可以设想将时钟、激光和其他振荡器调节到超量子精度。那么这些系统将能够以无限小的差异来追踪时间，实现新的革命性技术。