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宇宙年齡的2.5倍，330億年誤差不到1秒！量子邏輯時(shí)鐘的最高性能

2019-08-30 12:23 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

量子邏輯時(shí)鐘已經(jīng)重新回到世界上實(shí)驗(yàn)原子鐘的性能領(lǐng)先水平。過去八年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的物理學(xué)家們一直在悄悄地升級(jí)量子邏輯時(shí)鐘設(shè)計(jì)，主要是為了減少由提供時(shí)鐘“滴答”的單個(gè)鋁離子(帶電原子)不必要運(yùn)動(dòng)造成的誤差。

量子邏輯時(shí)鐘的系統(tǒng)不確定性(時(shí)鐘代表離子的自然振動(dòng)或頻率的緊密程度)是世界上最好的時(shí)鐘。

這意味著量子邏輯時(shí)鐘現(xiàn)在不會(huì)在330億年里增加或減少一秒鐘，這大約是宇宙估計(jì)年齡的2.5倍。在這個(gè)度量中，現(xiàn)在已經(jīng)超過了NIST時(shí)鐘的速度，NIST時(shí)鐘使用的是被困在激光束晶格中的中性原子，鐿晶格時(shí)鐘和鍶晶格時(shí)鐘。量子邏輯時(shí)鐘的性能并不奇怪，離子時(shí)鐘自然地比晶格時(shí)鐘更好地與環(huán)境隔離，而環(huán)境是原子時(shí)鐘精度不準(zhǔn)確的根源。在這一點(diǎn)上區(qū)分精度和穩(wěn)定性是很重要的。人們期望晶格時(shí)鐘的穩(wěn)定性最好，而現(xiàn)在確實(shí)做到了。

新的量子邏輯時(shí)鐘在精度上是世界領(lǐng)先的，但不穩(wěn)定。邏輯時(shí)鐘的穩(wěn)定性(測(cè)量時(shí)間所需要的時(shí)間)為1.2×10^-15的1秒測(cè)量，這是接近最好的一個(gè)離子時(shí)鐘，但約10倍于兩個(gè)NIST晶格時(shí)鐘。量子邏輯時(shí)鐘之所以得名，是因?yàn)樗栌昧藢?shí)驗(yàn)量子計(jì)算中的邏輯決策技術(shù)。鋁是一種非常穩(wěn)定的時(shí)鐘滴答聲來源，每秒在兩個(gè)能級(jí)之間振動(dòng)超過100億次，但它的特性不容易被激光操縱或探測(cè)到。因此，邏輯操作與合作伙伴鎂離子是用來冷卻鋁和信號(hào)其滴答。

此前NIST量子邏輯時(shí)鐘就擁有所有實(shí)驗(yàn)原子鐘中最好的性能。愛因斯坦相對(duì)論“時(shí)間膨脹”方面的論證也引起了人們注意：在更高的海拔，時(shí)間流逝得更快，但當(dāng)你走得更快時(shí)，時(shí)間流逝得更慢。從那以后，NIST的晶格時(shí)鐘在性能上不斷超越彼此，給人一種競(jìng)爭(zhēng)的印象，即要找出一個(gè)贏家。事實(shí)上，所有時(shí)鐘都是有用的研究目的，是未來時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)或其他應(yīng)用的可能競(jìng)爭(zhēng)者。國(guó)際上對(duì)秒的定義自1967年以來一直基于銫原子，因此銫仍然是官方計(jì)時(shí)的“標(biāo)尺”。

邏輯時(shí)鐘是國(guó)際科學(xué)界未來時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者。NIST科學(xué)家們正在研究幾種不同類型的實(shí)驗(yàn)時(shí)鐘，每一種都基于不同的原子，并具有各自的優(yōu)勢(shì)。所有這些實(shí)驗(yàn)時(shí)鐘都是基于光學(xué)頻率，這比當(dāng)今基于銫原子計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中使用的微波頻率要高。幾項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步使邏輯時(shí)鐘的性能得到改善，包括一個(gè)新的離子阱設(shè)計(jì)，減少了熱誘導(dǎo)離子運(yùn)動(dòng)，使操作接近理想的基態(tài)，或最低的運(yùn)動(dòng)能級(jí)。此外，使用較低的頻率來操作離子阱，減少了用于離子阱電場(chǎng)引起的不必要離子運(yùn)動(dòng)。

最后，改進(jìn)的量子控制降低了由于離子運(yùn)動(dòng)引起的頻移測(cè)量不確定性。時(shí)鐘精度是通過測(cè)量和疊加由九種不同效應(yīng)引起的頻移來確定。通過與NIST鐿晶格時(shí)鐘的比較，測(cè)定了其穩(wěn)定性。還計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)陷阱設(shè)計(jì)和其他特性，以進(jìn)一步提高性能。NIST三個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)鐘已經(jīng)可以用來改進(jìn)對(duì)一些基本自然“常數(shù)”可能變化的測(cè)量，這是一條對(duì)宇宙學(xué)和測(cè)試物理定律(如愛因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論)具有重要意義的探索之路。