来源：NIST新闻
NIST的研究人员制造了迄今为止最准确的原子钟，对时间的测量可以精确到小数点后19位。
这种“量子逻辑时钟”经过20年的不断发展，基于的是将带电铝原子（离子）与镁离子配对的量子计算技术。
这一新结果有助于国际社会提高秒定义的准确度，从而实现创新的科技进步。
世界上最精确的时钟有了新的纪录保持者。美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员基于捕获的铝离子改进了。它属于最新一波，可以精确到19位小数。
（从左到右）Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dworschack和Daniel Rodriguez Castillo，站在NIST铝离子钟前。最新的改进让这台时钟为重新定义秒以及探索物理学新思想的运动铺平道路。
图片来源：R.Jacobson/NIS
光学时钟通常在两个层面上进行评估——准确度（时钟与测量理想“真实”时间的接近程度，也称为系统不确定度）和稳定度（时钟测量时间的效率，与统计不确定度有关）。这一新的准确度纪录源于铝离子钟20年来的不断改进。除了比之前的记录高出41%的世界最佳准确度外，这款新时钟的稳定度也超出其他任何离子时钟的2.6倍。达到这些水平意味着要仔细改进时钟的各个方面，从激光到捕获器和真空室。
该团队在上发表了他们的研究结果。
NIST研究员、该论文的第一作者Mason Marshall说：“能研究有史以来最准确的时钟，实在令人兴奋。NIST在准确测量方面有着长期计划，这可以推动物理学领域的发展以及我们对周围世界的理解。”
NIST物理学家David Hume手持新改进的铝离子钟离子阱。通过改进离子阱，铝离子及其镁离子伴侣能够不受干扰地“滴答”作响。
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铝离子可以帮助实现非常好的时钟，具有极其稳定的高频“滴答”频率。领导铝离子钟项目的NIST物理学家David Hume说，虽然铯提供了目前科学上对，但铝离子的滴答声比铯的滴答声更稳定。铝离子对某些环境条件不那么敏感，比如温度和磁场。
但Marshall解释说，铝离子有点害羞。铝很难用激光探测和冷却，但这两种技术都是原子钟的必要技术。因此，研究小组将铝离子与镁配对。镁没有铝那样漂亮的滴答声，但它可以很容易地用激光控制。“这种离子的‘伙伴系统’被称为量子逻辑光谱学，”该项目的研究生Willa Arthur Dworschack说。镁离子冷却铝离子，减缓其速度。它还与铝伙伴同步移动，通过镁离子的运动可以读取时钟的状态，使其成为“量子逻辑”时钟。Daniel Rodriguez Castillo也是该项目的研究生，他说，即使有这种协调，仍有一系列物理效应需要描述。
Daniel Rodriguez Castillo说：“这是一个巨大而复杂的挑战，因为时钟设计的每个部分都会影响时钟。”
一个挑战是离子捕获器的设计，这会导致离子的微小运动，称为过度微动，从而降低时钟的准确度。这种过度的微动会降低离子的滴答声。陷阱两侧的电不平衡产生了额外的场，干扰了离子。该团队重新设计了捕获器，将其放在更厚的金刚石晶片上，并修改了电极上的金涂层，以修复电场的不平衡。他们还使金涂层变厚以降低电阻。以这种方式改进捕获器减缓了离子的运动，让它们不受干扰地“滴答”作响。
NIST铝离子钟新改进的离子阱，如图显示了铝镁离子对的CCD图像。圆圈为铝离子的位置，这对相机来说是黑暗的，因为它只能通过镁离子使用量子逻辑光谱学来读取。
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捕获器运行所必须依赖的真空系统也造成了问题。Marshall说，氢气从典型真空室的钢体中扩散出来。微量的氢与离子碰撞，中断了时钟的运行。这限制了实验在需要重新加载离子之前的运行时长。该团队重新设计了真空室，并用钛重建，这使背景氢降低为1/150。这意味着它们可以在几天内不用重新装载捕获器，而不是每30分钟就重新装载一次。
他们还需要一种成分：一种更稳定的激光来探测离子并计算它们的滴答声。2019年版本的时钟必须运行数周才能平均出激光引起的量子波动——离子能量状态的暂时随机变化。为了缩短时间，该团队求助于NIST自己人Jun Ye，他在JILA（NIST和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所）的实验室拥有世界上最稳定的激光器之一。Jun Ye的锶晶格钟“Strontium 1”保持了。
这是整个团队的努力。Ye在JILA的团队利用街道下的光纤链路，将3.6千米（略多于2英里）的超稳定激光束发送到NIST Tara Fortier实验室的。频率梳充当“光的标尺”，使铝离子钟组能够将其激光与Ye的超稳定激光进行比较。这一过程使Ye实验室的激光器能够将其稳定度迁移到铝钟激光器上。有了这一改进，研究人员可以探测离子整整一秒钟，而之前的记录是150毫秒。这提高了时钟的稳定性，将测量到小数点后19位所需的时间从三周减少到一天半。
（从左到右）Daniel Rodriguez Castillo、Willa Arthur Dworschack和Mason Marshall在博尔德的NIST共同研究铝离子钟。这台原子钟创下了准确度的新纪录。
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有了这一新纪录，铝离子钟有助于国际社会提高秒重新定义的准确度，促进新的科学技术进步。这一提升还大大改善了其作为量子逻辑测试台的使用，探索了量子物理学的新概念，并构建了量子技术所需的工具，这对参与者来说是一个令人兴奋的前景。更重要的是，通过将平均时间从几周缩短到几天，这个时钟可以成为一种对进行测量的新工具，并探索标准模型之外的物理学，例如自然界的基本常数不是固定值而是实际变化的可能性。
Arthur Dworschack说：“有了这个平台，我们准备探索新的时钟架构，比如增加时钟离子的数量，甚至纠缠它们，以进一步提升我们的测量能力。”
