一項(xiàng)新的研究表明，世界上最精確的原子鐘有了新的記錄保持者——其計(jì)時精度達(dá)到了小數(shù)點(diǎn)后第19位。這項(xiàng)研究使用一種源自量子計(jì)算的技術(shù)：將一個帶電的鋁離子與一個鎂離子配對，通過“搭檔”機(jī)制來實(shí)現(xiàn)高精度的時間測量。

新改良的鋁離子鐘離子阱。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，鋁離子與其“搭檔”鎂離子得以在無擾狀態(tài)下精確計(jì)時。（圖/R. Jacobson/NIST）

這一成果推動了全球重新定義“秒”的進(jìn)程，顯著提升了時間單位的精度基礎(chǔ)，為未來的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新開辟了新可能。研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于近期的《物理評論快報(bào)》上。

鋁離子的潛力與挑戰(zhàn)

在評估原子鐘性能時，通常關(guān)注兩個維度——精度和穩(wěn)定性。前者指時鐘測量理想的“真實(shí)時間”的接近程度，也稱系統(tǒng)不確定度；后者指時鐘測量時間的效率，與統(tǒng)計(jì)不確定度相關(guān)。

這項(xiàng)新成果是鋁離子鐘20年來持續(xù)改進(jìn)的結(jié)晶。鋁離子的“滴答”頻率極高且穩(wěn)定性優(yōu)異，甚至優(yōu)于目前定義“秒”的銫原子。而且鋁離子對環(huán)境因素（如溫度、磁場）不那么敏感，這使其更適合用于計(jì)時。但鋁離子也面臨挑戰(zhàn)——它很難用激光進(jìn)行探測和冷卻，而這恰恰是構(gòu)造原子鐘所必需的。

為了克服這一困難，在新的研究中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種“搭檔系統(tǒng)”——讓鋁離子于鎂離子配對。鎂離子雖然沒有鋁離子那樣穩(wěn)定的“滴答”頻率，但它可以更好地響應(yīng)激光的控制。因此，研究人員運(yùn)用鎂離子來冷卻鋁離子，使鋁離子減速。不僅如此，鎂離子還能與鋁離子一起運(yùn)動，使研究人員可通過觀測鎂離子來讀取鋁離子的狀態(tài)。

離子阱與真空腔的升級

即便如此，要使它們成為一個高精度的“量子邏輯”時鐘，仍有一系列物理效應(yīng)有待厘清。

挑戰(zhàn)之一就在于如何設(shè)計(jì)能容納這些離子的阱。原本的設(shè)計(jì)會導(dǎo)致離子發(fā)生細(xì)微的運(yùn)動，稱為過度微動，這會干擾離子的“滴答”頻率，從而降低時鐘的準(zhǔn)確性。此外，阱兩側(cè)的電不平衡也會產(chǎn)生額外的、干擾離子的電場。

為此，研究團(tuán)隊(duì)對離子阱進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)：他們將阱放置在更厚的金剛石晶片上，并優(yōu)化了電極上的金涂層，以修復(fù)電場的不平衡；此外，他們還將金涂層做得更厚，以降低電阻。這些改進(jìn)有效減緩了離子的運(yùn)動，讓它們的“滴答”頻率不受干擾。

插入圖顯示了鋁-鎂離子對的CCD成像，圓圈標(biāo)出鋁離子的位置。由于鋁離子本身無法被直接觀測，其狀態(tài)需通過與之配對的鎂離子間接讀取，因此在圖像中呈現(xiàn)為暗點(diǎn)。（圖/NIST）

此外，讓離子阱得以運(yùn)行的真空系統(tǒng)也會造成問題。在原本的設(shè)計(jì)中，真空腔中的鋼材會緩慢釋放氫氣，這些微量的氫氣會與離子碰撞，打斷時鐘的運(yùn)行。這限制了在重新裝載離子之前，時鐘的可運(yùn)行時間。新設(shè)計(jì)采用鈦材制造真空腔，成功將背景氫氣濃度降低到原有的1/150，使實(shí)驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行的時間從30分鐘提升至數(shù)天。

激光的助力

在完成了離子阱和真空腔的優(yōu)化后，研究人員還需要改進(jìn)一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)——激光。為了實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的探測，他們還需要一臺更穩(wěn)定的激光器。2019年版的鋁離子鐘需要運(yùn)行數(shù)周，才能抵消掉由激光所引發(fā)的量子漲落，即離子能量狀態(tài)的臨時性隨機(jī)波動。而在新的研究中，他們借助葉軍（Jun Ye）教授實(shí)驗(yàn)室的激光器，獲得了突破。

在葉軍的實(shí)驗(yàn)室中，擁有全球最穩(wěn)定的激光器之一。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們通過地下光纖，將激光束傳輸至3.6公立之外的NIST實(shí)驗(yàn)室，并在那里借助光頻梳（一種“光的尺子”），使鋁離子鐘的激光器能獲得葉軍實(shí)驗(yàn)室中激光器的穩(wěn)定性。

借此改進(jìn)，研究人員可將對離子的探測時間從150毫秒延長至整整一秒，使測量穩(wěn)定性顯著提升，將實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)后第19位所需的測量時間，從原本的三周縮短到一天半。

啟動全新測量時代

最終，他們創(chuàng)造了新的紀(jì)錄：在精度方面，新時鐘比此前的世界紀(jì)錄提升了41%，在穩(wěn)定性方面也比其他任何離子鐘高出2.6倍。

這一突破將有力支持國際重新定義“秒”的努力，同時也推動了量子物理、量子技術(shù)等前沿領(lǐng)域的發(fā)展。更重要的是，平均時間的大幅縮短，使新時鐘具備了參與地球大地測量學(xué)的新實(shí)驗(yàn)、甚至探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的能力。

研究人員表示，有了這一平臺，他們就能嘗試開發(fā)全新的時鐘架構(gòu)——比如擴(kuò)大離子數(shù)量，甚至讓它們糾纏——以進(jìn)一步提升測量能力。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Placidplace / Pixabay