16億年不差1秒的高精度鈣離子光鍾 | NSR

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時間是物理學中七個基本物理量之一，也是目前測量精度最高的物理量。很多其他物理量，比如長度、時間等，都可以通過時間或者頻率的測量來直接或間接確定。時間的準確測量對人們的日常生活，以至於國防安全和物理規律的驗證都具有重要意義。

微波鍾（黑線）和光鍾（紅線）不確定度發展對比圖

要更準確地測量時間，需要刻度更細的「尺子」，也就是振蕩頻率更高、振蕩周期更短的時鐘。過去，我們用天體的周期性運動作為「時間的尺子」，而現在，我們藉助於原子能級之間固定的躍遷頻率，讓計時結果更加可靠。基於這一原理的計時器包括微波鍾、光鍾等，它們都具有很高的精度，而近幾年來，光鐘的精度已經遠遠超過了微波鍾（如下圖）。

單臺鈣離子光鐘的穩定度

微波鍾（黑線）和光鍾（紅線）不確定度發展對比圖

最近，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院高克林研究員在《國家科學評論》(National Science Review，NSR) 發表題為&34;的觀點文章，描述其研究團隊在鈣離子光鍾領域的研究進展及展望。該團隊研究鈣離子光鍾已經超過二十年，解決了一系列關鍵物理問題並突破了關鍵技術：首先將單個鈣離子囚禁起來，並用雷射冷卻技術降低離子的溫度；同時，將一臺雷射器的頻率鎖定到一臺精細度很高的穩頻腔上，獲得了極窄的雷射線寬；在此基礎上，實現了光鍾鎖定。

單臺鈣離子光鐘的穩定度

不確定度方面，該團隊引入「魔幻」頻率射頻囚禁場和優化伺服反饋等方式，將不確定度指標提高到2×10-17，相當於16億年不差一秒，是目前國際上不確定度水平最高的鈣離子光鍾。

穩定度方面，該團隊採用態製備方法，通過兩台鐘比對測得單台鐘的長期穩定度達到10-18量級，這意味著該鐘能分辨出約20億億分之一（2後面有17個0）秒的微弱時間/頻率變化（下圖），繼德國聯邦物理技術研究院（PTB）研製的鐿離子光鍾後，這是國際上第二次達到如此高的分辨能力的離子光鍾。

單臺鈣離子光鐘的穩定度

該團隊兩次測量了鈣離子光鐘的絕對頻率，絕對頻率測量值三次被國際計量局時間頻率諮詢委員會（CCTF）採納，隨著測量值被採納，鈣離子光頻躍遷的國際頻率推薦值也被不斷更新，該團隊測量結果所佔權重也得到不斷增加。

鈣離子光鍾已經達到如此高的精度，但還有較大的發展空間。目前，限制光鐘不確定度指標的主要因素是由環境溫度場引起的黑體輻射頻移效應。目前，該團隊採用液氮冷卻的方式來降低該頻移。鈣離子光鐘的不確定度有望達到百億年不差一秒的水平。另外，穩定性更好的雷射器還將進一步提高光鐘的穩定度。該團隊同時正在開展車載可搬運光鐘的研究，目前已初步實現鈣離子光鐘的車載運行及長距離搬運。可搬運光鍾將極大地拓寬光鐘的運用範圍，在基礎物理檢驗、導航和測地學等方面得到廣泛的應用。