子曾在川上曰：逝者如斯夫。莊子亦曾感慨：人生天地之間，若白駒之過隙，忽然而已。總有一個午夜夢回的時刻，我們都不免懷著時光如箭，歲月如梭的感慨，仰望星空，捫心自問時間都去哪兒了。1秒鐘的誤差，不會害得你組會遲到嚇得瑟瑟發抖，也不會害得你飛機晚點懊惱不已。1秒鐘的誤差，在日常生活中不會有太大的影響。然而，秒的定義，對時間的流逝、宇宙的起源、引力波，光速、航空航天衛星導航等本質科學問題至關重要。此外，以時間為代表的基本度量衡標準的制定，甚至代表國家科技水平，關乎國家切身利益。圖丨中國科學家發明的冷原子鐘在太空中實現了穩定運行，精度高達3000萬年誤差不超過1秒。（來源：CCTV-13）原子鐘基于原子躍遷頻率輸出高精度的時頻信號，是當今世界最精準的時間測量技術，精度可以達到千萬年甚至幾億年誤差1秒。銫原子鐘、氫原子鐘和銣原子鐘是當前使用最常見的三種原子鐘，在GPS導航領域廣泛應用。20世紀60年代以來，基本單位的定義就經過多次修改，并逐漸朝著量子技術的趨勢發展。2019年，國際基本單位改革，秒、千克、米等7個基本單位再次被重新定義。對于秒這一基本單位，更精準的定義將促進更精準的導航系統的出現。1989年獲諾獎以來，微波原子鐘長期被認為是精確測量時間和頻率的“黃金標準”。目前成熟使用的原子鐘中，原子躍遷的頻率都在微波波波段。然而，考慮到光學頻率比微波頻率要高大約5個數量級，科學家都將目光逐漸轉移到了光學原子鐘。在過去的十年中，光學原子鐘的精度已經超過了微波原子鐘兩個數量級甚至更多。光學原子鐘通過長期頻率穩定激光的振蕩光波產生原子躍遷，從而測量原子中電子在兩個能級之間躍遷所需要的時間。在光學晶格構建的原子鐘中，含有兩個外層電子的原子組裝到疊加光波的類晶格圖案中，從而形成駐波。光學晶格形成的光頻率有非常好的選擇性，因為在該體系中，光對用于計時的電子躍遷的影響較小，因此在該系統中測試能夠實現更高的精確度。在過去的十年間，光晶格時鐘得到較大的發展，但是存在一系列挑戰性問題：1）魔頻陷阱（magic-frequency trap）對電子躍遷的頻率有微弱影響；2）時鐘穩定性衰減，因為時鐘死區時間被用來準備合成原子、而不僅僅是用來計時；和天才一樣，科學突破，也總是成群結隊的出現。近日，科學家們基于量子技術發明了一系列新技術，將光學原子鐘的發展，向前推進了一大步。圖1. 光-晶格時鐘測試系統穩定性的改善(a) 光-晶格時鐘精確調控激光的能量，之前的工作中通過電子從低能級(Lower state)躍遷到高能級(Upper state)。通過量子擠壓處理，能夠測試低能級的亞能級躍遷過程，改善了光-晶格時鐘的穩定性 (b) 設計了16×20魔頻激光陷阱光鑷，捕捉150個中性原子，改善了光-晶格時鐘的穩定性哈佛-麻省理工學院超冷原子研究中心Edwin Pedrozo-Pe?afiel等將171Yb(鐿)原子組成的晶格中在原子最低電子能量中相鄰的子能級躍遷過程中進行擠壓，從而改善了時鐘的性能。該量子擠壓過程中，通過一種量子疊加（quantum superposition）態（原子同時處于低電子態、高電子態）。在測試時，每個量子疊加態隨機和單獨的分布在低/高電子態，將這種隨機結果影響了量子漲落，降低了時鐘的穩定性。Pedrozo-Pe?afiel等通過量子擠壓處理，原子就不能單獨作用，從而抑制了量子漲落。在設計的實際測試中，實現了毫秒級別的短時間量子擠壓。不過，這種量子擠壓態穩定時間太少，無法滿足達到1秒的穩定需求。為了進一步提高穩定時間，美國國家標準局與科羅拉多大學聯合實驗室(JILA) Aaron W. Young等報道了在150個中性時鐘原子和16×20陣列魔頻激光陷阱光鑷結合，通過光學勢（optical potential）將該光鑷陣列快速的裝載到原子上。這項工作展示了通過陣列操作改善時鐘操作，實現了穩定時間長達20秒的陣列。通過這種作用，能夠對陣列中同時進行的兩組時鐘測量分別讀出。而且該體系中的多組時鐘測試的穩定性接近目前光-晶格時鐘的最好結果。雖然精讀極高，但是現有的光學原子鐘占據的體積往往超過一立方米，很難在實際生活中應用。有鑒于此，麻省理工學院William Loh等人發展了一種受激布里淵散射激光子系統，可以有效減小設備體積，并且可以在非真空情況下工作。研究人員采用88Sr+離子構建受激的布里淵散射激光器，光學原子鐘在1秒鐘內具有3.9×10-14的短期穩定性，比最新技術的微波原子鐘提高了一個數量級。這項成果為便攜式光學原子鐘的實現起到重要推動作用，為探索基本物理常數、尋找暗物質等重大科學問題帶來了曙光。這幾項工作，展示了量子技術發展對時間精確測試的意義。對于時鐘而言，量子技術提供了精密的測量工具和平臺；同時，量子擠壓技術的發展，以及可同時測試的原子鐘集合體系的開發，為量子模擬和量子信息的應用提供了寶貴的經驗。【1】Edwin Pedrozo-Pe?afiel et al. Entanglement on an optical atomic-clock transition. Nature 2020, 588, 414-418.https://www.nature.com/articles/s41586-020-3006-1【2】Aaron W. Young et al. Half-minute-scale atomic coherence and high relative stability in a tweezer clock. Nature 2020, 588, 408–413.https://www.nature.com/articles/s41586-020-3009-y【3】William Loh et al. Operation of an optical atomic clock with a Brillouin laser subsystem. Nature 2020, 588, 244–249.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2981-6【4】Christian Lisdat & Carsten Klempt, Quantum engineering for optical clocks, Nature 588, 397-398 (2020)DOI: 10.1038/d41586-020-03510-yhttps://www.nature.com/articles/d41586-020-03510-y
