最精确的原子钟诞生！

一项新的研究表明，世界上最精确的原子钟有了新的记录保持者——其计时精度达到了小数点后第19位。这项研究使用一种源自量子计算的技术：将一个带电的铝离子与一个镁离子配对，通过“搭档”机制来实现高精度的时间测量。

新改良的铝离子钟离子阱。通过优化设计，铝离子与其“搭档”镁离子得以在无扰状态下精确计时。（图/R. Jacobson/NIST）

这一成果推动了全球重新定义“秒”的进程，显著提升了时间单位的精度基础，为未来的科学研究和技术创新开辟了新可能。研究结果已经发表于近期的《物理评论快报》上。

铝离子的潜力与挑战

在评估原子钟性能时，通常关注两个维度——精度和稳定性。前者指时钟测量理想的“真实时间”的接近程度，也称系统不确定度；后者指时钟测量时间的效率，与统计不确定度相关。

这项新成果是铝离子钟20年来持续改进的结晶。铝离子的“滴答”频率极高且稳定性优异，甚至优于目前定义“秒”的铯原子。而且铝离子对环境因素（如温度、磁场）不那么敏感，这使其更适合用于计时。但铝离子也面临挑战——它很难用激光进行探测和冷却，而这恰恰是构造原子钟所必需的。

为了克服这一困难，在新的研究中，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队采用了一种“搭档系统”——让铝离子于镁离子配对。镁离子虽然没有铝离子那样稳定的“滴答”频率，但它可以更好地响应激光的控制。因此，研究人员运用镁离子来冷却铝离子，使铝离子减速。不仅如此，镁离子还能与铝离子一起运动，使研究人员可通过观测镁离子来读取铝离子的状态。

离子阱与真空腔的升级

即便如此，要使它们成为一个高精度的“量子逻辑”时钟，仍有一系列物理效应有待厘清。

挑战之一就在于如何设计能容纳这些离子的阱。原本的设计会导致离子发生细微的运动，称为过度微动，这会干扰离子的“滴答”频率，从而降低时钟的准确性。此外，阱两侧的电不平衡也会产生额外的、干扰离子的电场。

为此，研究团队对离子阱进行了重新设计：他们将阱放置在更厚的金刚石晶片上，并优化了电极上的金涂层，以修复电场的不平衡；此外，他们还将金涂层做得更厚，以降低电阻。这些改进有效减缓了离子的运动，让它们的“滴答”频率不受干扰。

插入图显示了铝-镁离子对的CCD成像，圆圈标出铝离子的位置。由于铝离子本身无法被直接观测，其状态需通过与之配对的镁离子间接读取，因此在图像中呈现为暗点。（图/NIST）

此外，让离子阱得以运行的真空系统也会造成问题。在原本的设计中，真空腔中的钢材会缓慢释放氢气，这些微量的氢气会与离子碰撞，打断时钟的运行。这限制了在重新装载离子之前，时钟的可运行时间。新设计采用钛材制造真空腔，成功将背景氢气浓度降低到原有的1/150，使实验连续运行的时间从30分钟提升至数天。

激光的助力

在完成了离子阱和真空腔的优化后，研究人员还需要改进一个关键环节——激光。为了实现更稳定的探测，他们还需要一台更稳定的激光器。2019年版的铝离子钟需要运行数周，才能抵消掉由激光所引发的量子涨落，即离子能量状态的临时性随机波动。而在新的研究中，他们借助叶军（Jun Ye）教授实验室的激光器，获得了突破。

在叶军的实验室中，拥有全球最稳定的激光器之一。在这项实验中，他们通过地下光纤，将激光束传输至3.6公立之外的NIST实验室，并在那里借助光频梳（一种“光的尺子”），使铝离子钟的激光器能获得叶军实验室中激光器的稳定性。

借此改进，研究人员可将对离子的探测时间从150毫秒延长至整整一秒，使测量稳定性显著提升，将实现小数点后第19位所需的测量时间，从原本的三周缩短到一天半。

启动全新测量时代

最终，他们创造了新的纪录：在精度方面，新时钟比此前的世界纪录提升了41%，在稳定性方面也比其他任何离子钟高出2.6倍。

这一突破将有力支持国际重新定义“秒”的努力，同时也推动了量子物理、量子技术等前沿领域的发展。更重要的是，平均时间的大幅缩短，使新时钟具备了参与地球大地测量学的新实验、甚至探索超越标准模型的新物理的能力。

研究人员表示，有了这一平台，他们就能尝试开发全新的时钟架构——比如扩大离子数量，甚至让它们纠缠——以进一步提升测量能力。

#参考来源：

https://www.nist.gov/news-events/news/2025/07/nist-ion-clock-sets-new-record-most-accurate-clock-world

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28

#图片来源：

封面图&首图：Placidplace / Pixabay