山东
IT之家 9 月 29 日消息，镥原子钟实现了创纪录的计时精度与比对精度，很有希望用作新一代时间基准以及开展重力相关测量。
新加坡国立大学量子技术中心（CQT）研制出了基于镥元素的原子钟，树立起计时精度的全新标杆。相关成果发表于《自然》（Nature）。该时钟把原子跃迁频率测定到小数点后 19 位，不确定度达到 1 × 10⁻¹⁹，是迄今为止所有光原子钟当中报告的最低不确定度。
项目负责人、新加坡国立大学量子技术中心首席研究员、物理系副教授默里 · 巴雷特（Murray Barrett）表示：“我确信，我们现在造出的是全世界精度最高的时钟。”
据IT之家了解，原子钟依靠锁定原子跃迁来计时；也就是原子电子在固定频率下发生能级切换。研究人员调节一束激光，使之匹配这套“钟跃迁”；激光的振荡就如同钟摆摆动，以此计量时间。
这套量子技术中心的时钟以镥‑176 离子（¹⁷⁶Lu⁺）这单个带电原子作为时间基准，匹配的激光波长为 848 纳米。
温度波动与磁场都会偏移原子钟所使用的跃迁频率，评估时钟精度时必须修正这些干扰。而镥的钟跃迁几乎不受温度与磁场两者的影响，使时间基准可以在更宽泛的环境条件下保持稳定。
巴雷特说：“这一优异特性意味着即便环境变化很大，依然可以实现超高计时精度。就算从地球上最热的死亡谷，搬到寒冷的南极高原，这台镥原子钟依旧能够稳定工作。”
该团队早在十多年前就开始研究镥，当时就推测该元素很适合用于计时。把设想转化成一台可以运行的时钟，耗费了多年精密工程研发与原子物性测量。研究人员还提出一套叫作“超精细平均（hyperfine averaging）”的方法，用来定义这套钟跃迁。据他们所知，目前全球只有这一个科研团队在开展镥原子钟方向的研究。
课题组搭建了两台镥原子钟，借助关联光谱技术连续比对两者走时长达 200 小时。两台时钟比对的不确定度达到 5.7 × 10⁻¹⁹，刷新了时钟相互比对的精度纪录；后续增加测量次数还有望进一步压低该不确定度。
论文共同第一作者、新加坡国立大学量子技术中心高级研究员凯尔 · 阿诺德（Kyle Arnold）说道：“有一句很有意思的俗语：戴一块手表的人知道现在几点；戴两块手表的人反而拿不准时间。这恰恰说明，想要检验一套时间基准的准确度，唯一办法就是多台时钟互相比对，证明结果具备可复现性。”
根据广义相对论，引力会使时间流逝变慢；放置在不同高度的时钟，走时速率会出现细微差别。达到 10⁻¹⁹精度等级的光原子钟，仅仅数毫米的高度差就可以探测出这种引力时间延迟效应。本次实验当中，放在同一张实验桌面上的两台镥原子钟，已经能够分辨 5 毫米的高度差异。为消除该效应干扰比对结果，研究人员把两个镥离子的相对高度测量精度控制在 1 毫米以内。
正是这种极高的重力敏感度，也带来新难题：想要拿这台镥原子钟和全球其他顶尖原子钟做对标校验并不容易。现阶段人类对地球各处引力分布的测量精度还不够，无法把引力带来的影响和时钟本身性能差异分离开。
巴雷特对此评价：“展望未来，我认为很难再有其他时钟能够超越它。”
自上世纪 60 年代起，铯原子一直是“秒”这个时间单位的定义基准；铯原子钟支撑 GPS 定位，保障通信网络与交通系统的时间同步。
而光原子钟采用频率高得多的原子跃迁；同样的时间间隔之内可以完成更多次振荡，计时因此更加精准。此前的纪录保持者分别使用镱、锶、铝；新加坡国立大学团队的数据表明，镥原子钟性能已经超过这几种元素。
随着光原子钟技术持续进步，负责制定国际时间标准的机构正在评估利用新一代光钟重新定义“秒”，新版定义预计最早 2030 年或之后落地。
这类时钟的重力探测灵敏度走出实验室之后还可以用于监测地球重力场变化；超高精度时钟同样有望帮助科学家探索基础物理领域悬而未决的问题。
论文另一位共同第一作者、新加坡国立大学博士生迈克尔 · 李（Michael Lee）表示：“下一步目标，是把实验室版本的时钟小型化，开发可移动样机。”一旦走出实验室，就可以开展更多跨地点时钟比对，进一步拓展各项实际应用。该团队希望缩小设备体积的同时，能够保留现有的高精度指标。
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