近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在《Metrologia》期刊发表了一篇文章（DOI：10.1088/1681-7575/adc7bd），将NIST-F4确立为世界上最精确的计时器之一。NIST已向国际计量局（BIPM）提交了该时钟，申请将其作为主要频率标准予以接受。BIPM是负责监督全球时间的机构。
NIST-F4测量的是铯原子内部一个不变的频率，这是自1967年以来国际上一致同意的定义“秒”的基础。该时钟基于一种“喷泉”设计，这种设计代表了时间计量的最高精度标准。NIST-F4的运行如此稳定，以至于如果它在1亿年前恐龙漫游的时代就开始运行，那么到今天它的时间误差也不会超过1秒。
通过加入由全球仅10个国家运行的类似精英时钟的小型群体，NIST-F4使全球时间的基础更加稳定和安全。与此同时，它还在帮助引导NIST用于保持美国官方时间的时钟。通过无线电和互联网传播的美国官方时间，对于电信和交通系统、金融交易平台、数据中心运营等至关重要。
NIST时间与频率部门主任Liz Donley表示：“NIST-F4改进了时间信号，这些信号每天被使用数十亿次，用途广泛，从校准钟表到确保数千亿美元电子金融交易的准确时间戳。”
一种特殊的时钟
像NIST-F4这样的铯原子喷泉钟是一种原子钟——一种复杂且高精度的设备，能够从原子中提取时间脉冲。这些时钟在我们这个全球互联的社会中发挥着关键作用：它们作为“主要频率标准”，共同校准协调世界时（UTC，即一个使用全球原子钟数据达成共识的时间计量系统，也称为时间尺度）。
像NIST这样的国家计量实验室利用自己的时间尺度来生成和分发UTC的版本；例如，NIST生成的版本称为UTC（NIST）。这些国家时间尺度随后被用于同步我们在日常生活中依赖的时钟和网络。
在喷泉钟中，首先利用激光将数千个铯原子冷却到接近绝对零度。随后，一对激光束轻柔地将原子向上抛起，之后原子会在自身重力作用下下落。
在原子的这段旅程中，它们会两次穿过一个充满微波辐射的小腔室。第一次是在原子上升过程中，微波将原子置于一个量子态，该量子态以一种特殊的频率——铯共振频率——随时间循环，这是一个由自然规律设定的不变常数。
大约一秒钟后，当原子再次下落时，微波与原子之间的第二次相互作用揭示了时钟的微波频率与原子的自然共振频率之间的接近程度。这一测量结果被用来将微波频率调整至原子共振频率。
随后，一个探测器会计算经过微调的微波的9,192,631,770个波周期。计算这些周期所需的时间定义了国际标准的“一秒”。
（这一定义可能会在2030年发生改变，届时各国计划考虑用一种或多种不同的原子元素重新定义“秒”，这些元素被用于所谓的光学钟，其测量时间的精度甚至高于喷泉钟。即便如此，铯原子喷泉钟在时间计量中仍将发挥重要作用，尽管其重要性有所降低。）
历经多年打造的“旅程”
全球正在运行的铯原子喷泉钟还不到20台。与用于互联网数据中心、股票市场和其他私营企业以计秒的商用原子钟不同，几乎每一台喷泉钟都是由像NIST这样的国家计量实验室的科学家建造和运行的。“这是一种非常优美的技术，具有真正的性能优势，但它非常娇贵。”NIST喷泉钟团队的物理学家Greg Hoth表示。
让NIST-F4加入这个精英队伍是一个历经多年的旅程。NIST的科学家们在20世纪90年代末建造了该机构的第一台喷泉钟NIST-F1。NIST-F1运行了超过15年，并被用于执行定期的频率校准。然而，喷泉钟的精密程度有多高，它们就有多脆弱。2016年搬入新大楼后，该时钟不得不经过修复并经过仔细测试，以再次作为主要频率标准运行——这一过程比预期花费的时间更长。
2020年，物理学家Vladislav Gerginov开始研究NIST-F1的频率测量。最终，他、Hoth以及同事们决定从头开始重建时钟的核心部件——微波腔，铯原子就是在这个腔体中被测量的。为了达到必要的精度，他们需要实现5到10微米的公差——大约是人类头发宽度的五分之一。
科学家们增加了新的电加热线圈、磁线圈、光学元件和微波组件，并进行了微调。NIST团队决定将这台新的喷泉钟命名为NIST-F4。（NIST已经建造了另外两台喷泉钟，NIST-F2和NIST-F3，因此NIST-F4是该系列的第四台。）
研究团队花费了数月时间进行测量，以确保NIST-F4不会因压力和温度波动或杂散电场和磁场等因素而受到影响。他们将喷泉钟的滴答声与氢气钟（用于计美国官方时间的主力原子钟）的滴答声进行比较，以确保它们保持稳定且不变的节奏。
“喷泉钟本应是非常单调的，”Hoth表示。
“评估像NIST-F4这样的喷泉钟是一个缓慢的过程，因为我们需要非常谨慎，”Gerginov表示。“在投入使用之前，我们必须对它的一切都了如指掌，”他说，因为时钟信号中的任何误差不仅会破坏美国的时间，还可能破坏全球时间计量基础设施。
近日，NIST团队在《Metrologia》期刊上报告称，NIST-F4的频率测量精度达到了10的16次方（1000万亿）分之2.2——与世界上最好的喷泉钟相当。NIST团队还将时钟数据发送给了国际计量局（BIPM），在那里，一个专家团队正在对其进行检查，之后BIPM将正式认证该时钟为主要频率标准。
Donley表示：“NIST-F4的成功重新确立了NIST在主要频率标准领域的全球领导地位。”“Vladi和Greg凭借他们的聪明才智和技能，恢复了NIST原子喷泉钟的可靠、世界级运行。”
NIST-F4和另一台喷泉钟NIST-F3大约90%的时间都在运行，且在任何给定时刻至少有一台时钟在运行。NIST-F4的数据将定期发送给BIPM以校准协调世界时（UTC），而这两台时钟已经在帮助引导NIST时间尺度UTC(NIST)。
Donley表述：“NIST时间尺度已经从喷泉钟的高运行时间和其性能的可靠性中显著受益。”
