新型光学原子钟比铯钟精度高千倍

真空室中由铟（粉红色）和镱（蓝色）离子组成的晶体。图片来源：德国联邦物理技术研究院

　　德国联邦物理技术研究院团队成功开发出一系列先进的光学原子钟，其中包括单离子时钟和光晶格时钟。这些新型时钟展示了前所未有的精度，可比现有的定义国际单位制中“秒”的铯原子钟精确1000倍以上。相关研究成果发表在最新一期《物理评论快报》上。

　　下一代原子钟利用激光频率作为计时基础，其频率大约是当前铯原子钟所使用的微波频率的100000倍。尽管还在评估阶段，但部分现有光学原子钟的准确性已经达到了铯钟的100倍。随着进一步的测试和全球范围内的对比，它们有望成为重新定义“秒”的关键工具。

　　在光学原子钟的工作原理中，原子被特定频率的激光照射，这导致原子改变其量子态。为了确保这种转变发生，必须保护原子不受外界干扰，并且要精确测量任何剩余的影响。对于含有囚禁离子的光学原子钟而言，这一过程特别有效。离子可以被电场捕获，在真空中保持在极小的空间内，从而实现接近理想、无干扰的量子系统。因此，离子钟的相对系统不确定度能够达到小数点后18位以外的水平。换句话说，如果从宇宙大爆炸开始计时，这样的时钟最多只会有一秒的误差。

　　传统上，这些时钟依赖于单一的时钟离子发出的信号，需要长时间（有时长达两周）来测量频率。为提高效率，新开发的时钟引入了并行化处理，即多个不同种类的离子可以在同一离子阱中同时被捕获。这些离子相互作用形成晶体结构，并结合不同类型的离子特性来增强性能。

　　此次团队选择了铟离子，因其具备实现高精度的优越属性，并添加镱离子用于有效冷却。同时，他们通过创新方法解决了既往难点，使得新时钟精度接近小数点后18位。

　　在比较测量中涉及了德国联邦物理技术研究院的另外两个光学时钟系统和一个微波时钟系统——单离子镱钟、锶晶格钟以及铯喷泉钟。铟钟与镱钟之间的比率首次达到了总体不确定度的要求，符合重新定义“秒”所需的严格标准。

　　该方案预示着新一代高度稳定和精确的光学离子钟的到来。它不仅适用于其他类型的离子，而且为全新的时钟概念铺平了道路。