396 亿年误差不到一秒：全世界最准原子钟创造新纪录
396 亿年误差不到一秒：全世界最准原子钟创造新纪录
导读：美国科罗拉多大学物理系教授叶军领导的研究团队在原子钟领域取得重大突破，他们研发的光晶格钟实现了时间测量精度的飞跃，误差在396亿年内不到一秒钟。这一成就不仅为下一代原子钟设立了新的基准，也为物理学前沿研究提供了高精度测量工具。
1秒钟到底有多久？科学上秒的精度应当如何定义？2023年9月22日，墨子沙龙有幸邀请到美国科罗拉多大学物理系教授、“墨子量子奖”获得者叶军（Jun Ye）作题为“光学原子钟的发展：站在巨人的肩膀上”的演讲，用通俗易懂的方式介绍了原子钟的研究背景，与研究团队不断提高测量时间的精度所做出的探索。
如今，原子钟的精度上限还能提升吗？叶军团队的最新成果又一次打破了原子钟精度的纪录，实现了时间测量精度的飞跃，为下一代原子钟设立了新的基准。24年1月成功研发国内指标最好的光钟系统（一秒究竟有多长，中国光钟团队将有自己的答案）的中国科大光钟团队受到Physics的邀请，对这一成果进行介绍。
20世纪50年代原子钟的出现，标志着我们在超高精度时间测量的能力方面实现了重大突破。经过70年的发展，它是目前最精确的计时设备，如果让它在宇宙大爆炸之初就开始计时，到现在它的误差也不会超过一秒钟。这些精确的原子钟在基础物理学、计量学、导航等领域有着广泛应用。进一步的改进可能会带来一系列新的应用和基础物理的新测试。
然而，实现进一步改进面临诸多挑战，其中主要是环境噪声，例如磁场波动和温度变化，而原子的相互作用非常复杂，它支配了钟的运行却又难以操控。为应对这些挑战，来自美国天体物理联合实验室（JILA）和科罗拉多大学博尔德分校的一个研究团队打破了原子钟精度的纪录。
图1：锶原子在1S0和3P0状态之间的跃迁作为光晶格钟的参考。当光信号与跃迁共振时，其频率可以被非常精确地界定。
研究团队使用基于中性锶原子的光晶格钟（Optical lattice clock, OLC），测量了锶原子跃迁的频率，其系统不确定性达到了8.1×10-19，相比之前的纪录（该团队前期工作）提高了两倍多。这一成就标志着时间测量精度的飞跃，为下一代原子钟设立了新的基准。
最早的原子钟使用微波信号的频率作为其“钟摆”来计时。如今，最优时间测量技术基于某些原子跃迁（称为钟跃迁）发出的光。这些跃迁的高频率（通常为几百太赫兹）和窄线宽（通常为1-100毫赫兹）意味着光学原子钟比基于微波的原子钟能更精确地测量时间，因为后者以较低频率计时。得益于过去几十年来研究人员的不懈努力，光学钟现在的性能比微波钟高出两个数量级以上。进一步提高其性能意味着要减少系统误差的大小。
为实现这一目标，JILA和科罗拉多大学博尔德分校的团队重新评估了某些对光原子钟运行至关重要的原子参数的系数。特别是，研究人员对锶原子中磁敏感性最低的钟跃迁（3P0和1S0状态之间的跃迁）进行了精确校准（见图1)，确定了二阶塞曼系数。
塞曼系数描述了磁场对电子能级的影响，因此也描述了相关跃迁过程中所发射光的频率变化。通常，选择磁不敏感的钟跃迁是为了使主导的一阶塞曼频移最小化，这样可以降低钟对环境磁场波动的敏感性。但较弱的二阶效应仍然存在。团队对这一系数的校准把由二阶塞曼频移带来的不确定性降低到了1×10-19，比之前的校准提高了一倍。
图2：2023年9月，在合肥的2023年新兴量子技术国际会议上，叶军（Jun Ye）作为“墨子量子奖”获得者带来精彩的现场获奖报告。
研究人员还解決了影响钟不确定性的第二个因素：动态黑体辐射校正。黑体辐射可以通过其电场影响原子的能级，这是在室温环境中操作钟的不可避免的结果。这个效应的动态成分是指原子能级之间的差分频移。在之前几代的锶光晶格钟中，精度特别受限于3P0能级（定义钟跃迁的两个状态中较高的一个状态）的位移不确定性。这个频移的大小与黑体辐射能谱范围内的一个跃迁有关，——即3P0和更高能级3D1之间的跃迁，可以通过测量3D1态的寿命来确定。通过进行这些测量，团队将黑体辐射位移的不确定度从之前的1.5×10-18降低到了 7.3×10-19。将黑体辐射频移不确定度的减少与其他环境控制措施（如稳定温度）相结合，研究人员确定了所有系统效应对钟跃迁能级的总不确定度的影响小于1×10-18。
为了控制和测量光晶格钟中的原子，研究人员还使用了一种有“魔术波长”的光晶格。在光晶格阱中，原子的能级可能会受到激光束电场的影响而漂移。然而，在魔术波长下操控的势阱中，无论原子的电子状态如何，势阱都是相同的。这意味着激光束在钟跃迁状态之间引起的相对能级频移被最小化，这有助于使跃迁的线宽尽可能变窄。研究人员还加入了一种冷却程序，使他们能够使用浅晶格来限制原子。原子被更紧密地限制时，激光束引起的能级频移更大，因此浅势能最小化了这种频移。
这些方法使他们的设备超过了之前所有光晶格钟的精度，时间测量误差在396 亿年内不到一秒钟。这一改进的意义深远。例如，结合科罗拉多团队的进展，新一代仪器可能会为秒的定义设定新的基准。未来的努力可能集中在改进这些技术，通过低温操作等进一步减少不确定性。这一超高精度的测量技术可以用于研究物理学前沿的基本问题，如可能通过引力波观测揭示引力的量子性质以及暗物质的本质等。