新型光學原子鐘比銫鐘精度高千倍

真空室中由銦（粉紅色）和鐿（藍色）離子組成的晶體。圖片來源：德國聯邦物理技術研究院

　　德國聯邦物理技術研究院團隊成功開發出一系列先進的光學原子鐘，其中包括單離子時鐘和光晶格時鐘。這些新型時鐘展示了前所未有的精度，可比現有的定義國際單位制中“秒”的銫原子鐘精確1000倍以上。相關研究成果發表在最新一期《物理評論快報》上。

　　下一代原子鐘利用激光頻率作為計時基礎，其頻率大約是當前銫原子鐘所使用的微波頻率的100000倍。盡管還在評估階段，但部分現有光學原子鐘的準確性已經達到了銫鐘的100倍。隨著進一步的測試和全球范圍內的對比，它們有望成為重新定義“秒”的關鍵工具。

　　在光學原子鐘的工作原理中，原子被特定頻率的激光照射，這導致原子改變其量子態。為了確保這種轉變發生，必須保護原子不受外界干擾，并且要精確測量任何剩余的影響。對于含有囚禁離子的光學原子鐘而言，這一過程特別有效。離子可以被電場捕獲，在真空中保持在極小的空間內，從而實現接近理想、無干擾的量子系統。因此，離子鐘的相對系統不確定度能夠達到小數點后18位以外的水平。換句話說，如果從宇宙大爆炸開始計時，這樣的時鐘最多只會有一秒的誤差。

　　傳統上，這些時鐘依賴于單一的時鐘離子發出的信號，需要長時間（有時長達兩周）來測量頻率。為提高效率，新開發的時鐘引入了并行化處理，即多個不同種類的離子可以在同一離子阱中同時被捕獲。這些離子相互作用形成晶體結構，并結合不同類型的離子特性來增強性能。

　　此次團隊選擇了銦離子，因其具備實現高精度的優越屬性，并添加鐿離子用于有效冷卻。同時，他們通過創新方法解決了既往難點，使得新時鐘精度接近小數點后18位。

　　在比較測量中涉及了德國聯邦物理技術研究院的另外兩個光學時鐘系統和一個微波時鐘系統——單離子鐿鐘、鍶晶格鐘以及銫噴泉鐘。銦鐘與鐿鐘之間的比率首次達到了總體不確定度的要求，符合重新定義“秒”所需的嚴格標準。

　　該方案預示著新一代高度穩定和精確的光學離子鐘的到來。它不僅適用于其他類型的離子，而且為全新的時鐘概念鋪平了道路。