美国国家标准与技术研究院（NIST）构建的铝离子钟创下世界最精准时钟纪录。研究团队通过改进离子阱设计、优化真空系统并引入更稳定激光，使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。该研究推动了国际重新定义“秒”的进程，还为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等提供了有力工具。该成果于7月14日发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。
© Physical Review Letters 研究论文以《系统不确定度达 5.5×10-19 的高稳定性单离子钟 (High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10-19 Systematic Uncertainty)》为题发表于《物理评论快报》
光学钟通常从两个层面进行评估——准确度（接近理想“真实”时间的程度）和稳定性（保持频率一致性的能力）。铝离子的“滴答”频率极高，且相较于目前用作“秒”的定义标准的铯原子，铝离子的滴答频率更加稳定，因而非常适合用作时钟。此外，铝离子对某些环境因素（如温度和磁场）的敏感性也更低。
然而，用激光去探测和冷却铝离子相当困难，而这些步骤对原子钟的运行是必不可少的。为此，研究团队引入了量子逻辑光谱（quantum logic spectroscopy）技术，将铝离子和镁离子配对。虽然镁离子没有铝离子那么优秀的“滴答”性能，但它很容易被激光操控。镁离子负责冷却铝离子，让它“慢下来”，并与铝离子同步运动。通过读取镁离子的运动状态，就可以间接读出铝离子的时钟信号，从而构成了一个量子逻辑原子钟。
NIST 物理学家 David Hume 手持新近改进的铝离子钟离子阱。通过对该离子阱的优化改造，铝离子及其搭档镁离子得以实现无干扰的“滴答”运行。图片来源: R. Jacobson/NIST
即便采用了这一巧妙的方法，研究团队仍需要刻画许多影响时钟性能的物理效应。此前的离子阱设计会导致离子发生微小的额外运动，进而扰乱离子的“滴答”频率。这是由离子阱两侧的电场不平衡导致的。为了解决这一问题，团队重新设计了离子阱：将其安装在更厚的金刚石晶片上，并调整电极上的金层厚度，以修正电场不平衡问题。团队还加厚了金层，以降低电阻。通过这些优化，离子的运动被进一步减缓，从而能更“安静地滴答”。
此外，研究团队还缺少一个关键要素：更稳定的激光器，用于探测离子并记录其“滴答”频率。由于激光自身的不稳定性引发的量子涨落（即离子能级状态的随机短时变化），先前的铝离子钟需运行数周才能将这些波动平均化，以得到准确结果。为了缩短这一时间，研究团队与JILA（NIST与科罗拉多大学博尔德分校的联合研究机构）的叶军团队进行了合作。叶军团队的实验室拥有全球最稳定的激光器之一，他们的锶光晶格钟曾保持世界最准确原子钟的纪录。
叶军团队通过光纤线路，将超稳定激光束从JILA传输至3.6公里外的NIST实验室中的光频梳装置。光频梳帮助研究团队将其激光与叶军实验室的超稳定激光进行比较，使得后者的稳定性得以传递到前者上。有了这项改进，研究团队可以将离子的探测时间从原先的150毫秒延长至1秒，显著提升了时钟的稳定性。原本需要三周才能测量到小数点后19位的精度，现在仅需一天半。
NIST铝离子钟中新改进的离子阱，图中嵌入图像显示了铝离子与镁离子对的 CCD 图像。圆圈标出了铝离子的位置，由于铝离子无法被直接拍摄，必须通过镁离子以量子逻辑光谱技术间接读取，因此在相机中呈现为暗点。图片来源：NIST
借助这一全新纪录，铝离子钟也对“秒”的重新定义做出了贡献，其准确度将远超当前标准，为科学与技术进步开辟了新路径。这些技术升级还极大地增强了该原子钟作为量子逻辑实验平台的价值，可用于探索量子物理新概念，并开发未来量子技术所需的关键工具。
更重要的是，将测量时间从几周缩短到几天后，该原子钟将成为探索地球测地学（如测量地球重力势差）和超越标准模型物理的重要工具。例如，它可用于测试自然界的基本物理常数是否随时间变化这一重要问题。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28
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