研究首次對比3個頂級原子鐘精度

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原子鐘的心臟      圖片來源：新加坡國立大學

三維量子氣體原子鐘     圖片來源：G.E. Marti/JILA

 用原子鐘尋找暗物質     圖片來源：Hanacek/NIST

“滴答”。對很多人而言，呼吸間就是1秒；或在表盤上，秒針走一步，就是1秒。

但在科學上，秒的精度遠不止于此。

近日，美國國家標準與技術研究所（NIST）領導的一個研究小組通過空氣和光纖鏈路，以迄今最高的準確度比較了基于鋁、鍶、鐿的3種原子鐘。研究結果朝著更精準復現秒定義的目標邁出了重要一步。

這項工作是首次比較3個基于不同原子的時鐘，也是第一次將不同位置的原子鐘隔空相連。3月25日，相關論文刊登于《自然》。

“這些發現向秒的重新定義更近了一步，并有助于尋找暗物質——宇宙中難以捉摸的組成部分。”未參與該研究的英國特丁頓國家物理實驗室的Rachel Godun在同期發表的觀點文章中寫道。

什么是秒

遠古時代，人們對時間的參照來源于太陽。日出而作日落而息，地球自轉為人們提供了時間判斷標準，這種時標被稱為“平太陽時”，也叫“世界時”。

慢慢地，人們開始對時間進一步細分，秒出現了。最初，人們先借助天文觀測得到地球自轉的平均周期（即日長），然后細分成86400份，進而得到秒長。這也是天文秒。

20世紀20年代，天文學家發現，由于地球上的季節性氣流和洋流的運動，地球自轉有周期性變化。于是，人們開始提出新的計時方法——原子時。1948年，英國制造出世界上第一臺原子鐘。

原子鐘就是以原子中電子的振動為振子的時鐘，其中以光波段的電子振動為振子的時鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。原子鐘的準確度使其成為了計時和其他精確測量的絕佳工具。這是因為原子會在特定頻率發射和吸收光子，這個過程基本不受環境因素的干擾。

1967年，國際計量大會決定用原子秒取代天文秒，秒長定義是堿金屬銫133同位素基態兩個超精細能級之間躍遷輻射的9192631770個周期所持續的時間間隔。1958年1月1日零時零分零秒成為“原子時”的計時起點，并與“世界時”重合。

1972年，實驗室型銫原子基準鐘正式成為復現秒定義的手段。

此前，科學家曾演示過頻率準確度達小數點后18位的原子鐘，超過了目前用于定義秒的銫原子鐘。不過，為了獲得更準確的秒定義，就必須對這些原子鐘進行比較。迄今為止，使用不同種類原子的鐘，頻率比值的最高測量準確度能把測量不確定度降到小數點后17位。

“我們需要對這些光學鐘進行測試，以確認它們的工作精度達到了我們評估的水平。當我們致力于最終基于光學時鐘重新定義國際原子鐘時，同樣的頻率比可以由世界各地的其他團體測量。”該研究通訊作者、NIST物理學家David Hume在接受《中國科學報》采訪時說。

部署天羅地網

Hume和同事部署了一個3種原子鐘組成的網絡。這些原子鐘分別被放置在科羅拉多州博爾德市各個地點的大樓里，并比較了它們在2017年11月至2018年6月期間各自的頻率比值。

這些原子鐘是NIST不同實驗室的鋁離子時鐘和鐿晶格時鐘，以及位于1.5公里外JILA的鍶晶格時鐘（JILA是NIST和科羅拉多大學的聯合研究所）。

Godun告訴記者，世界上最好的光學鐘正是包括NIST的鋁離子和鐿時鐘，以及JILA的鍶時鐘。所有3個時鐘的測量頻率估計誤差在1018分之2或更好。

但測量工作面臨著前所未有的挑戰：因為這3個原子鐘以截然不同的頻率“滴答”，因此所有的網絡組件都必須以極高的精度運行，無線連接也需要尖端的激光技術和設計。

“所有這些時鐘都經過了多年的不斷改進和評估。建立原子鐘網絡面臨的主要挑戰之一，是將原子鐘組合在一起，并讓它們同時以高準確度運行。為了使測量成為可能，我們采用了三個光學時鐘，許多相位穩定的光鏈路（包括一個自由空間的光鏈路）和飛秒頻率光梳。”Hume說。

其中，空中光鏈路的關鍵是光梳的使用，后者可以精確地比較不同的頻率。研究人員開發了雙向傳輸方法，即使在大氣湍流和實驗室振動的條件下，也可以在空中精確地比較光學時鐘。該研究也是第一次用基于梳狀結構的信號傳輸技術比較最先進的原子鐘。

自1967年以來，秒的定義基于銫原子在微波頻率下的跳動。新研究中使用的原子鐘以更高的光學頻率滴答作響，這種頻率將時間分成了更小的單位，從而提供了更高的精度。

精確到小數點后18位

該研究比較獲得的測量精度范圍可以達到小數點后18位，這是頻率比值不確定度首次小于小數點后17位。

具體而言，光纖和空中無線鏈路的不確定度都只有1018分之6到8，也就是說，誤差沒有超過 0.000000000000000008。而且，所有3類原子鐘都具有卓越的性能，并有望進一步改進。例如，NIST的鐿原子鐘代表了原子的固有頻率，誤差可能在1018分之1.4以內。

研究人員還描述了如何通過空中鏈路在鐿時鐘和鍶時鐘之間傳輸時間信號，他們發現這個過程的工作效率與光纖一樣好，比傳統的無線傳輸方案精確1000倍。這顯示了最好的原子鐘是如何在地球上的遠程站點之間同步的，以及時間信號如何在更遠的距離上被傳輸，甚至在宇宙飛船之間飛行。

新結果也創下了其他重要記錄。NIST團隊測量了頻率比，即三對（鐿—鍶、鐿—鋁、鋁—鍶）原子頻率之間的定量關系。這是迄今為止對該常數進行的3個最精確的測量結果。

頻率比是評價光學原子鐘的一個重要指標。直接測量光學時鐘頻率通常以赫茲為單位，受到目前國際標準銫微波時鐘的精度限制。而頻率比克服了這個限制，因為它們沒有以任何單位表示。

此外，Godun提到，根據目前的理論，原子不會通過電磁力與暗物質相互作用。然而，如果這些相互作用存在，它們會導致原子鐘頻率的微小變化。“該研究沒有發現這樣的變化，這揭示了原子與某種特定類型的暗物質之間的任何電磁相互作用的最大強度幾乎是之前確定的強度的十倍。”

研究團隊正在致力于提高測量穩定性和時鐘性能，Hume說，我們期待將這些測量推向更高的精度水平。

光學時鐘網絡也可以用于探索物理學的許多其他方面，因為它們的精度使人們能夠以前所未有的分辨率獲得對周圍世界的測量。例如在更嚴格的水平上測試愛因斯坦的相對論，以及尋找物理常數值的可能變化。“無論是何種應用，時鐘比較越好，影響越大。”Godun說，“由于目前的精度限制是由技術問題決定的，因此更好地測量非常有希望。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03253-4