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《美国国家标准与技术研究院构建的铝离子钟创下世界最精准时钟纪录》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2025-08-04

  • 美国国家标准与技术研究院（NIST）通过改进离子阱设计、优化真空系统和引入更稳定的激光，成功构建了全球最精准的铝离子钟。该离子钟的不确定度达到5.5×10-19，相当于500亿年的计时误差不超过1秒，较此前纪录高出41%，且稳定性提升2.6倍。这一成果推动了国际重新定义“秒”的进程，有助于探索量子物理学新概念、构建量子技术工具以及地球测地学的研究。 该铝离子钟的“滴答”频率极高，相较于目前作为“秒”定义标准的铯原子更为稳定。

    研究团队引入量子逻辑光谱技术，将铝离子与镁离子配对，通过镁离子的运动状态间接读取铝离子的时钟信号。通过对离子阱的优化改造，解决了电场不平衡问题，并加厚金层以降低电阻，实现了离子的无干扰“滴答”。

    此外，与JILA（NIST与科罗拉多大学博尔德分校的联合研究机构）的合作使研究团队能够使用更稳定的激光器，显著提升了时钟的稳定性，将测量时间从数周缩短至一天半。 

    这一全新纪录不仅为“秒”的重新定义做出了贡献，还为科学与技术进步开辟了新路径。该铝离子钟可用于测试自然界的基本物理常数是否随时间变化，对探索地球测地学和超越标准模型物理有重要意义。相关研究成果发表在《物理评论快报》上。

    论文链接：

    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28

    报道链接：

    https://www.nist.gov/news-events/news/2025/07/nist-ion-clock-sets-new-record-most-accurate-clock-world

  • 原文来源：http://quantumcas.ac.cn/2025/0717/c24874a691599/page.htm
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研发的离子钟创下全球最精确时钟的新纪录》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-07-17
    • 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）
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  • 《突破 | 美国国家标准与技术研究院优化铝离子光学钟》
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    • 编译者：胡思思
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    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员对其基于囚禁铝离子的原子钟进行了技术升级。这款最新一代的光学原子钟，其计时精度高达小数点后19位，刷新了世界纪录，成为迄今为止最精确的光学原子钟！ 光学原子钟的性能通常从两个方面来衡量：一是准确度，二是稳定度。此次准确度纪录的刷新，得益于团队对铝离子钟长达20年的持续改进。离子钟便是原子钟的一种，它特指使用带电离子（如铝离子）作为计时基准的光学原子钟。除了创下全球最高的准确度（比上一项纪录提升了41%），这款新时钟的稳定度也是其他离子钟的2.6倍。如此卓越的性能，源于对系统各个细节的优化，包括激光器、离子阱和真空腔体等。相关研究成果发表在Physical Review Letters。 NIST物理学家David Hume展示新改造的离子阱 铝离子能构成一台性能卓越的原子钟，其“振动”频率极高且极其稳定。David Hume指出，铝离子的计时稳定性超过了目前用于“秒”定义标准的铯原子。此外，铝离子对温度、磁场等环境因素的敏感性也较低。不过，Mason Marshall解释说，铝离子在操控方面相对“内向”。原子钟运行所必需的两项关键技术，即激光探测和激光冷却，都难以直接作用于铝离子。 为此，研究团队采用了“搭档”策略，将铝离子与镁离子配对使用。虽然镁离子的计时性能不如铝离子出色，但它可以方便地通过激光进行操控，从而间接实现对铝离子的有效控制。项目研究生Willa Arthur-Dworschack介绍道：“这种离子间的‘搭档机制’被称为量子逻辑光谱学。”在该系统中，镁离子用于冷却铝离子，使其运动减缓，并与铝离子实现协同运动。通过探测镁离子的运动状态，研究人员便能间接读取铝离子的时钟信息，因此这类时钟被称为“量子逻辑钟”。该项目的另一位研究生Daniel Rodriguez Castillo补充道，即便采用了这种协同机制，仍需对大量物理效应进行精确表征，以确保系统的整体性能。他表示：“这是一个庞大而复杂的挑战，因为时钟设计中的每一个环节都可能对最终的性能产生影响。”其中一个关键挑战来自离子囚禁装置，即离子阱的设计。该阱引发的离子微小运动（称为“额外微运动”），会进而降低原子钟精度。 为了解决这一问题，研究团队重新设计了离子阱。他们将阱体构建在更厚的金刚石衬底上，并优化了电极的镀金层，以矫正电场的不均衡，同时加厚镀层以降低电阻。通过这些工程优化，成功抑制了离子的多余运动，使其能在近乎无扰动的状态下稳定“计时”。下图展示了NIST铝离子钟采用的新型离子阱装置：主图为全新的离子阱结构，放大图则由CCD相机拍摄，标记出了铝-镁离子对的位置。由于铝离子（图中暗点）无法直接被相机探测，其状态需通过与之配对的镁离子（图中亮点），借助量子逻辑光谱学技术进行间接读取。 离子阱运行对其所依赖的真空系统也带来了一定挑战。Mason Marshall指出，在传统的钢制真空腔体中，氢气会缓慢从腔壁中逸出。这些微量氢气与离子发生碰撞，会干扰时钟的正常运行，导致实验只能在重新加载离子前维持较短时间。为了解决这一问题，研究团队重新设计了真空腔体，改用钛金属材料制造，使背景氢气水平降低了150倍。这一改进将离子阱的单次运行时间从原先的30分钟延长至数天，无需频繁重新加载离子。 除了真空环境的优化，他们还需解决一个关键环节——需要更稳定的激光器来探测离子并计量其振动。2019版原子钟为消除激光引发的量子涨落（即离子能量态的短暂随机变化），需连续运行数周进行数据平均。为缩短该时间，团队求助于NIST的Jun Ye，其所在的美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校联合研究所（JILA）拥有全球最稳定的激光系统之一。 该项目的推进离不开多个团队的紧密协作。Jun Ye团队通过铺设在街道下方的光纤链路，将超稳定激光束传输至3.6 km外的NIST Tara Fortier实验室，并注入该实验室的光频梳系统中。光频梳被称为“光的标尺”，能将不同频率的激光精确比较。借助该系统，铝离子钟团队实现了其激光器与Jun Ye团队激光的频率同步，成功“复制”了激光的超高稳定性。 通过这项关键改进，研究人员将单次离子探测的时间从150 ms大幅延长至1 s，不仅显著提高了时钟的稳定性，也将测量精度达到小数点后第19位所需的时间，从三周大幅缩短至仅一天半。 凭借这一新纪录，铝离子原子钟助力国际上更高精度的‘秒’重新定义。相关升级不仅显著提升了其作为量子逻辑实验平台的性能，还为探索量子物理新概念和构建量子技术所需的核心工具提供了强有力的支撑。更为关键的是，借助这一技术突破，这款时钟有望成为开展高精度地球大地测量的强大工具，同时也为探索超越粒子物理标准模型的新理论提供可能，例如验证“自然界的基本常数并非绝对恒定，而可能随时间发生变化”这一假说。Willa Arthur-Dworschack表示：“基于这一平台，我们已做好准备，进一步探索全新的时钟架构，例如扩展时钟离子的数量规模，甚至实现它们之间的量子纠缠，从而持续提升整体测量能力。”
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