近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员制造出迄今为止最精准的原子钟，其精度可达到小数点后19位。这种“量子逻辑时钟”在过去20年中一直处于持续开发阶段，它利用量子计算技术，将一个带电的铝原子（离子）与一个镁离子配对。这一新成果有助于国际上重新定义秒，使其精度远高于以往，从而推动新的科学研究和技术进步。
作为世界上最精准时钟新纪录的保持者，NIST的研究人员改进了基于囚禁铝离子的原子钟计时方式。作为最新一代光学原子钟的一部分，其计时精度可达到小数点后19位。
光钟通常从两个层面进行评估—准确性（时钟接近理想“真实”时间的程度，也称为系统不确定性）和稳定性（时钟测量时间的效率，与统计不确定性相关）。这一新的精度纪录是铝离子钟20年持续改进的结果。其精度达到世界领先水平，具体来说比之前的纪录高出41%，这款新型时钟的稳定性也比其他任何离子钟高出2.6倍左右。达到这些水平意味着对时钟的每一个细节都进行了精心的改进，从激光到离子陷阱再到真空腔。
“能够参与制造有史以来最精准的时钟，这令人兴奋不已。”美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究员、该论文的第一作者梅森·马歇尔（Mason Marshall）表示，“在NIST，我们得以开展这些长期的精密测量计划，这些计划能够推动物理学领域的发展并提高我们对周围世界的认知。”
铝离子是一种异常出色的时钟材料，其具有极其稳定且高频的“滴答”频率。美国国家标准与技术研究院（NIST）铝离子钟项目负责人戴维·休姆（David Hume）表示，虽然铯原子目前为科学定义“秒”提供了计量依据，但实际上铝离子的滴答频率比铯原子更稳定。此外，铝离子对温度和磁场等环境条件的敏感性也更低。
但铝离子有点“害羞”，Marshall解释说。铝很难用激光探测和冷却，而这两者都是原子钟运行的必要技术。因此，研究小组将铝离子与镁配对。镁虽然没有铝那样出色的滴答特性，但很容易用激光控制。“这种离子态的'伙伴系统'被称为量子逻辑光谱学，”该项目的研究生 威拉·阿瑟-多尔施克（Willa Arthur-Dworschack）说。镁离子冷却铝离子，使其减慢速度。它还会与它的铝伙伴同步运动，所以可以通过镁离子的运动状态来表征离子钟，使其成为“量子逻辑”时钟。即便有了这种协同作用，仍有许多物理效应需要进行特征描述，该项目的另一位研究生丹尼尔·罗德里格斯·卡斯蒂略（Daniel Rodriguez Castillo）表示。
“这是一个庞大而复杂的挑战，因为时钟设计的每一个细节都会影响时钟整体的性能，”Rodriguez Castillo 表示。
其中的一个挑战是用于囚禁离子的陷阱的设计，它会使离子发生微小的运动，这种运动被称为过度微动，从而降低时钟的精度。这种过度的微动会干扰离子的滴答频率。离子阱两侧的电荷不平衡会产生额外的磁场，从而扰乱离子。研究人员重新设计了离子陷阱，将其放在较厚的金刚石晶片上，并改变了电极上的金属涂层，以修复电场的不平衡。该团队还增加了金属涂层的厚度，以降低电阻。通过这一系列的改进措施，使离子阱能够更加稳定的减缓离子的运动，让它们不受干扰地“滴答作响”。
离子阱赖以运行的真空环境也存在隐患。Marshall说，氢气会从传统真空腔的钢制主体中逸散出来。微量的氢气与离子发生碰撞，也会干扰时钟的运行。这限制了实验在离子需要重新加载之前能够持续的时间。研究人员于是又重新设计了真空腔，并用钛金属讲其重建，从而将背景氢气的影响降低了150倍。这意味着他们的实验可以连续几天不用重新加载离子阱，而不是每30分钟就要重新加载一次。
实验团队还需要考虑一个关键因素：用一台更稳定的激光器来探测离子并记录它们的滴答频率。2019年版的时钟必须运行数周，才能平均出由其激光器引起的量子涨落——离子能量状态的临时随机变化。为了缩短这一周期，该团队求助于NIST的核心人物叶军，他在JILA（NIST和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所）的实验室拥有世界上最稳定的激光器之一。叶军的锶晶格钟Strontium 1号始终保持着这一领域的精度记录。
这是整个团队努力的结果。利用街道下的光纤链路，叶军在JILA的团队将超稳定激光束发送了3.6公里（略多于2英里）到塔拉·福蒂埃（Tara Fortier）在NIST的实验室中的频率梳。作为“光尺”的频梳使铝离子钟组能够将其激光器与叶军的超稳定激光器进行比较。这一过程使得叶军实验室的激光器能够将其稳定性传递到铝离子钟的激光器上。通过这一改进，研究人员能够将离子探测时间延长至整整1秒，而他们之前的记录为150毫秒。这提高了时钟的稳定性，将测量到小数点后19位所需的时间从三周缩短到一天半。
凭借这一新记录，铝离子钟为在国际上重新定义秒精度做出了卓越的贡献，从而促进了新的科学发展和技术进步。这些升级还大大改善了其作为量子逻辑测试台的用途，探索了量子物理学中的新概念，并构建了量子技术所需的各种工具，这对于相关领域的研究人员来说是一个令人兴奋的前景。更重要的是，通过将平均时间从几周缩短到几天，这款时钟将成为对地球大地测量学进行新测量和探索标准模型之外的物理学领域的新工具，例如自然界的基本常数，我们发现它并不是固定值而是存在着随环境变化的可能性。
Arthur-Dworschack表示：“借助这一平台，我们有望探索新的时钟架构——比如将时钟中离子的数量进一步增加，甚至将它们纠缠在一起——从而进一步提高我们的测量能力。
该项目的研究成果已发表在《Physical Review Letters》期刊上。（DOI：10.1103/hb3c-dk28）
