16亿年不差1秒的高精度钙离子光钟 | NSR

FUTURE | 远见 眺望 选编

时间是物理学中七个基本物理量之一，也是目前测量精度最高的物理量。很多其他物理量，比如长度、时间等，都可以通过时间或者频率的测量来直接或间接确定。时间的准确测量对人们的日常生活，以至于国防安全和物理规律的验证都具有重要意义。

微波钟（黑线）和光钟（红线）不确定度发展对比图

要更准确地测量时间，需要刻度更细的“尺子”，也就是振荡频率更高、振荡周期更短的时钟。过去，我们用天体的周期性运动作为“时间的尺子”，而现在，我们借助于原子能级之间固定的跃迁频率，让计时结果更加可靠。基于这一原理的计时器包括微波钟、光钟等，它们都具有很高的精度，而近几年来，光钟的精度已经远远超过了微波钟（如下图）。

单台钙离子光钟的稳定度

微波钟（黑线）和光钟（红线）不确定度发展对比图

最近，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院高克林研究员在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表题为"The 40Ca+ ion optical clock"的观点文章，描述其研究团队在钙离子光钟领域的研究进展及展望。该团队研究钙离子光钟已经超过二十年，解决了一系列关键物理问题并突破了关键技术：首先将单个钙离子囚禁起来，并用激光冷却技术降低离子的温度；同时，将一台激光器的频率锁定到一台精细度很高的稳频腔上，获得了极窄的激光线宽；在此基础上，实现了光钟锁定。

单台钙离子光钟的稳定度

不确定度方面，该团队引入“魔幻”频率射频囚禁场和优化伺服反馈等方式，将不确定度指标提高到2×10-17，相当于16亿年不差一秒，是目前国际上不确定度水平最高的钙离子光钟。

稳定度方面，该团队采用态制备方法，通过两台钟比对测得单台钟的长期稳定度达到10-18量级，这意味着该钟能分辨出约20亿亿分之一（2后面有17个0）秒的微弱时间/频率变化（下图），继德国联邦物理技术研究院（PTB）研制的镱离子光钟后，这是国际上第二次达到如此高的分辨能力的离子光钟。

单台钙离子光钟的稳定度

该团队两次测量了钙离子光钟的绝对频率，绝对频率测量值三次被国际计量局时间频率咨询委员会（CCTF）采纳，随着测量值被采纳，钙离子光频跃迁的国际频率推荐值也被不断更新，该团队测量结果所占权重也得到不断增加。

钙离子光钟已经达到如此高的精度，但还有较大的发展空间。目前，限制光钟不确定度指标的主要因素是由环境温度场引起的黑体辐射频移效应。目前，该团队采用液氮冷却的方式来降低该频移。钙离子光钟的不确定度有望达到百亿年不差一秒的水平。另外，稳定性更好的激光器还将进一步提高光钟的稳定度。该团队同时正在开展车载可搬运光钟的研究，目前已初步实现钙离子光钟的车载运行及长距离搬运。可搬运光钟将极大地拓宽光钟的运用范围，在基础物理检验、导航和测地学等方面得到广泛的应用。