新型光學(xué)原子鐘比銫鐘精度高千倍

科技日報2025年1月21日報道，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院團隊成功開發(fā)出一系列先進的光學(xué)原子鐘，其中包括單離子時鐘和光晶格時鐘。這些新型時鐘展示了前所未有的精度，可比現(xiàn)有的定義國際單位制中“秒”的銫原子鐘精確1 000倍以上。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期《物理評論快報》上。

下一代原子鐘利用激光頻率作為計時基礎(chǔ)，其頻率大約是當(dāng)前銫原子鐘所使用的微波頻率的100 000倍。盡管還在評估階段，但部分現(xiàn)有光學(xué)原子鐘的準(zhǔn)確性已經(jīng)達到了銫鐘的100倍。隨著進一步的測試和全球范圍內(nèi)的對比，它們有望成為重新定義“秒”的關(guān)鍵工具。

在光學(xué)原子鐘的工作原理中，原子被特定頻率的激光照射，這導(dǎo)致原子改變其量子態(tài)。為了確保這種轉(zhuǎn)變發(fā)生，必須保護原子不受外界干擾，并且要精確測量任何剩余的影響。對于含有囚禁離子的光學(xué)原子鐘而言，這一過程特別有效。離子可以被電場捕獲，在真空中保持在極小的空間內(nèi)，從而實現(xiàn)接近理想、無干擾的量子系統(tǒng)。因此，離子鐘的相對系統(tǒng)不確定度能夠達到小數(shù)點后18位以外的水平。換句話說，如果從宇宙大爆炸開始計時，這樣的時鐘最多只會有一秒的誤差。

傳統(tǒng)上，這些時鐘依賴于單一的時鐘離子發(fā)出的信號，需要長時間（有時長達兩周）來測量頻率。為提高效率，新開發(fā)的時鐘引入了并行化處理，即多個不同種類的離子可以在同一離子阱中同時被捕獲。這些離子相互作用形成晶體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合不同類型的離子特性來增強性能。

此次團隊選擇了銦離子，因其具備實現(xiàn)高精度的優(yōu)越屬性，并添加鐿離子用于有效的冷卻。同時，他們通過創(chuàng)新方法解決了既往難點，使得新時鐘精度接近小數(shù)點后18位。

在比較測量中涉及了德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的另外兩個光學(xué)時鐘系統(tǒng)和一個微波時鐘系統(tǒng)——單離子鐿鐘、鍶晶格鐘以及銫噴泉鐘。銦鐘與鐿鐘之間的比率首次達到了總體不確定度的要求，符合重新定義“秒”所需的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

該方案預(yù)示著新一代高度穩(wěn)定和精確的光學(xué)離子鐘的到來。它不僅適用于其他類型的離子，而且為全新的時鐘概念鋪平了道路。

（2025年1月21日" 科技日報 張夢然）