什么是量子逻辑时钟的最高性能?

量子逻辑时钟已经重新回到世界上实验原子钟的性能领先水平。过去八年,美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家们一直在悄悄地升级量子逻辑时钟设计,主要是为了减少由提供时钟“滴答”的单个铝离子(带电原子)不必要运动造成的误差。量子逻辑时钟的系统不确定性(时钟代表离子的自然振动或频率的紧密程度)是世界上最好的时钟。

这意味着量子逻辑时钟现在不会在330亿年里增加或减少一秒钟,这大约是宇宙估计年龄的2.5倍。在这个度量中,现在已经超过了NIST时钟的速度,NIST时钟使用的是被困在激光束晶格中的中性原子,镱晶格时钟和锶晶格时钟。量子逻辑时钟的性能并不奇怪,离子时钟自然地比晶格时钟更好地与环境隔离,而环境是原子时钟精度不准确的根源。在这一点上区分精度和稳定性是很重要的。人们期望晶格时钟的稳定性最好,而现在确实做到了。

新的量子逻辑时钟在精度上是世界领先的,但不稳定。逻辑时钟的稳定性(测量时间所需要的时间)为1.2×10^-15的1秒测量,这是接近最好的一个离子时钟,但约10倍于两个NIST晶格时钟。量子逻辑时钟之所以得名,是因为它借用了实验量子计算中的逻辑决策技术。铝是一种非常稳定的时钟滴答声来源,每秒在两个能级之间振动超过100亿次,但它的特性不容易被激光操纵或探测到。因此,逻辑操作与合作伙伴镁离子是用来冷却铝和信号其滴答。

此前NIST量子逻辑时钟就拥有所有实验原子钟中最好的性能。爱因斯坦相对论“时间膨胀”方面的论证也引起了人们注意:在更高的海拔,时间流逝得更快,但当你走得更快时,时间流逝得更慢。从那以后,NIST的晶格时钟在性能上不断超越彼此,给人一种竞争的印象,即要找出一个赢家。事实上,所有时钟都是有用的研究目的,是未来时间标准或其他应用的可能竞争者。国际上对秒的定义自1967年以来一直基于铯原子,因此铯仍然是官方计时的“标尺”。

逻辑时钟是国际科学界未来时间标准的一个竞争者。NIST科学家们正在研究几种不同类型的实验时钟,每一种都基于不同的原子,并具有各自的优势。所有这些实验时钟都是基于光学频率,这比当今基于铯原子计时标准中使用的微波频率要高。几项技术进步使逻辑时钟的性能得到改善,包括一个新的离子阱设计,减少了热诱导离子运动,使操作接近理想的基态,或最低的运动能级。此外,使用较低的频率来操作离子阱,减少了用于离子阱电场引起的不必要离子运动。

最后,改进的量子控制降低了由于离子运动引起的频移测量不确定性。时钟精度是通过测量和叠加由九种不同效应引起的频移来确定。通过与NIST镱晶格时钟的比较,测定了其稳定性。还计划进一步改进陷阱设计和其他特性,以进一步提高性能。NIST三个实验时钟已经可以用来改进对一些基本自然“常数”可能变化的测量,这是一条对宇宙学和测试物理定律(如爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论)具有重要意义的探索之路。