世界各地都使用原子鐘來精確計(jì)時(shí)。時(shí)鐘的每個(gè)“滴答”都取決于原子振動(dòng)及其對(duì)周圍電磁場(chǎng)的影響。當(dāng)今使用的基于原子銫的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘通過“計(jì)數(shù)”無線電頻率來指示時(shí)間。這些時(shí)鐘可以精確到每億億分之一秒測(cè)量一次時(shí)間。測(cè)量光的光學(xué)頻率的新型原子鐘更為精確，并且最終可能取代基于無線電的原子鐘。

Adam Shaw，Ivaylo Madjarov和Manuel Endres在加州理工學(xué)院研究其基于激光的儀器

  現(xiàn)在，研究人員在加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL），這是由加州理工學(xué)院為NASA管理，必須拿出新的設(shè)計(jì)，持有的承諾是最準(zhǔn)確和精確的又一個(gè)光學(xué)原子鐘（精度指時(shí)鐘正確確定時(shí)間的能力，而精度則是指其能夠精確顯示時(shí)間的能力）。它被昵稱為“鑷子鐘”，它采用了所謂的激光鑷子來操縱單個(gè)原子的技術(shù)。

  加州理工學(xué)院物理學(xué)助理教授曼努埃爾·恩德雷斯（Manuel Endres）說：“物理學(xué)家的目標(biāo)之一就是能夠盡可能準(zhǔn)確地說出時(shí)間。”他在《Physical Review X》雜志上發(fā)表了一篇描述結(jié)果的論文。Endres解釋說，盡管每天不一定需要超精密時(shí)鐘來計(jì)時(shí)，但它們可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)物理學(xué)研究以及尚未想象的新技術(shù)的進(jìn)步。

  新的時(shí)鐘設(shè)計(jì)基于已經(jīng)使用的兩種類型的光學(xué)原子鐘。***種基于單個(gè)捕獲的帶電原子或離子，而第二種則使用捕獲在所謂的光學(xué)晶格中的數(shù)千個(gè)中性原子。在捕獲離子方法中，只需要精確地隔離和控制一個(gè)原子（離子），從而提高了時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。另一方面，光學(xué)晶格方法受益于具有多個(gè)原子-原子越多，由于單個(gè)原子的隨機(jī)量子漲落而產(chǎn)生的不確定性就越少。

激光噪聲的聲光調(diào)制器

  在時(shí)鐘設(shè)置中，束縛在81個(gè)光學(xué)鑷子陣列中的約40個(gè)88Sr原子被698 nm時(shí)鐘激光器詢問，熒光成像用于以單原子分辨率和反饋來檢測(cè)時(shí)鐘狀態(tài)下的種群變化。通過用于最小化激光噪聲的聲光調(diào)制器（AOM）進(jìn)行控制。

  Endres團(tuán)隊(duì)的原子鐘設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上結(jié)合了兩種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，從而獲得了兩者的優(yōu)勢(shì)。新設(shè)計(jì)沒有使用光學(xué)晶格方法那樣使用許多原子的集合，而是使用了40個(gè)原子，而這些原子是由激光鑷子精確控制的。在這方面，新設(shè)計(jì)不僅受益于具有多個(gè)原子，而且還允許研究人員控制這些原子。

  加州理工學(xué)院的研究生，這項(xiàng)新研究的主要作者伊瓦伊洛·馬德亞羅夫（Ivaylo Madjarov）說：“這種方法將物理的兩個(gè)分支聯(lián)系在一起-單原子控制技術(shù)和精確測(cè)量。” “我們正在開創(chuàng)原子鐘的新平臺(tái)。”

  Madjarov解釋說，通常，原子鐘中的原子就像音叉一樣，可以幫助穩(wěn)定電磁頻率或激光。“我們的激光振蕩就像鐘擺一樣，可以計(jì)算時(shí)間的流逝。原子是非常可靠的參考，可確保擺錘以恒定的速率擺動(dòng)。”

  研究小組說，新系統(tǒng)非常適合未來對(duì)量子技術(shù)的研究。這些系統(tǒng)中的原子可以糾纏或全局連接，并且這種糾纏狀態(tài)可以進(jìn)一步穩(wěn)定時(shí)鐘。Endres說：“我們的方法還可以搭建通向量子計(jì)算和通信架構(gòu)的橋梁。” “通過融合物理學(xué)中的不同技術(shù)，我們進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。”

  參考：Ivaylo S. Madjarov，Alexandree Cooper，Adam L. Shaw，Jacob P. Covey，Vladimir Schkolnik，Tai Hyun Yoon，Jason R. Williams和Manuel Endres撰寫的“具有單原子讀數(shù)的原子陣列光學(xué)時(shí)鐘”，11 2019年12月，《物理評(píng)論X》。