一秒钟,4篇Nature
纳米技术 2020-12-23
人生一世,草木一秋!


子曾在川上曰:逝者如斯夫。庄子亦曾感慨:人生天地之间,若白驹之过隙,忽然而已。

总有一个午夜梦回的时刻,我们都不免怀着时光如箭,岁月如梭的感慨,仰望星空,扪心自问时间都去哪儿了。

是的,时间到底是什么?
时间又是如何在指尖悄悄流逝的?

原子钟

秒,是时间的基本单位。

1秒钟的误差,不会害得你组会迟到吓得瑟瑟发抖,也不会害得你飞机晚点懊恼不已。1秒钟的误差,在日常生活中不会有太大的影响。

然而,秒的定义,对时间的流逝、宇宙的起源、引力波,光速、航空航天卫星导航等本质科学问题至关重要。此外,以时间为代表的基本度量衡标准的制定,甚至代表国家科技水平,关乎国家切身利益。

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图丨中国科学家发明的冷原子钟在太空中实现了稳定运行,精度高达3000万年误差不超过1秒。(来源:CCTV-13)

公元前1300多年,人们用日冕和沙漏来计时。
随后,石英钟出现。
直到20世纪50年代,原子钟问世。

原子钟基于原子跃迁频率输出高精度的时频信号,是当今世界最精准的时间测量技术,精度可以达到千万年甚至几亿年误差1秒。铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟是当前使用最常见的三种原子钟,在GPS导航领域广泛应用。

20世纪60年代以来,基本单位的定义就经过多次修改,并逐渐朝着量子技术的趋势发展。2019年,国际基本单位改革,秒、千克、米等7个基本单位再次被重新定义。对于秒这一基本单位,更精准的定义将促进更精准的导航系统的出现。

光学原子钟

1989年获诺奖以来,微波原子钟长期被认为是精确测量时间和频率的“黄金标准”。目前成熟使用的原子钟中,原子跃迁的频率都在微波波波段。然而,考虑到光学频率比微波频率要高大约5个数量级,科学家都将目光逐渐转移到了光学原子钟。在过去的十年中,光学原子钟的精度已经超过了微波原子钟两个数量级甚至更多。

光学原子钟通过长期频率稳定激光的振荡光波产生原子跃迁,从而测量原子中电子在两个能级之间跃迁所需要的时间。在光学晶格构建的原子钟中,含有两个外层电子的原子组装到叠加光波的类晶格图案中,从而形成驻波。光学晶格形成的光频率有非常好的选择性,因为在该体系中,光对用于计时的电子跃迁的影响较小,因此在该系统中测试能够实现更高的精确度。

在过去的十年间,光晶格时钟得到较大的发展,但是存在一系列挑战性问题
1)魔频陷阱(magic-frequency trap)对电子跃迁的频率有微弱影响;
2)时钟稳定性衰减,因为时钟死区时间被用来准备合成原子、而不仅仅是用来计时;
3)量子涨落限制了时钟的稳定性。
4)光学原子钟体积太大,难以大规模使用。

新突破

和天才一样,科学突破,也总是成群结队的出现。近日,科学家们基于量子技术发明了一系列新技术,将光学原子钟的发展,向前推进了一大步。

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图1. 光-晶格时钟测试系统稳定性的改善(a) 光-晶格时钟精确调控激光的能量,之前的工作中通过电子从低能级(Lower state)跃迁到高能级(Upper state)。通过量子挤压处理,能够测试低能级的亚能级跃迁过程,改善了光-晶格时钟的稳定性 (b) 设计了16×20魔频激光陷阱光镊,捕捉150个中性原子,改善了光-晶格时钟的稳定性

量子挤压改善晶格时钟测试精度
哈佛-麻省理工学院超冷原子研究中心Edwin Pedrozo-Peñafiel等171Yb(镱)原子组成的晶格中在原子最低电子能量中相邻的子能级跃迁过程中进行挤压,从而改善了时钟的性能。该量子挤压过程中,通过一种量子叠加(quantum superposition)态(原子同时处于低电子态、高电子态)

在测试时,每个量子叠加态随机和单独的分布在低/高电子态,将这种随机结果影响了量子涨落,降低了时钟的稳定性。Pedrozo-Peñafiel等通过量子挤压处理,原子就不能单独作用,从而抑制了量子涨落。在设计的实际测试中,实现了毫秒级别的短时间量子挤压。

不过,这种量子挤压态稳定时间太少,无法满足达到1秒的稳定需求。

光镊技术改善晶格时钟测试精度
为了进一步提高稳定时间,美国国家标准局与科罗拉多大学联合实验室(JILA) Aaron W. Young等报道了在150个中性时钟原子和16×20阵列魔频激光陷阱光镊结合,通过光学势(optical potential)将该光镊阵列快速的装载到原子上。

这项工作展示了通过阵列操作改善时钟操作,实现了稳定时间长达20秒的阵列。通过这种作用,能够对阵列中同时进行的两组时钟测量分别读出。而且该体系中的多组时钟测试的稳定性接近目前光-晶格时钟的最好结果

更便携的光学原子钟
虽然精读极高,但是现有的光学原子钟占据的体积往往超过一立方米,很难在实际生活中应用。有鉴于此,麻省理工学院William Loh等人发展了一种受激布里渊散射激光子系统,可以有效减小设备体积,并且可以在非真空情况下工作。

研究人员采用88Sr+离子构建受激的布里渊散射激光器,光学原子钟在1秒钟内具有3.9×10-14的短期稳定性,比最新技术的微波原子钟提高了一个数量级。这项成果为便携式光学原子钟的实现起到重要推动作用,为探索基本物理常数、寻找暗物质等重大科学问题带来了曙光。

未来可期

这几项工作,展示了量子技术发展对时间精确测试的意义。对于时钟而言,量子技术提供了精密的测量工具和平台;同时,量子挤压技术的发展,以及可同时测试的原子钟集合体系的开发,为量子模拟和量子信息的应用提供了宝贵的经验。

无论如何,
一秒钟可能改变不了人生,
人生确是由无数个一秒钟构成。

享受每一秒吧,
不论是在洗瓶子,
还是在开组会!

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参考文献:
【1】Edwin Pedrozo-Peñafiel 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-y
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03510-y

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