量子计算使未来原子钟更加精确

新一代原子钟的误差约为每370亿年1秒。也就是说，经过从宇宙诞生到现在的时间，这个原子钟才会产生0.5秒的误差。听上去，这是不是很酷呢？

目前，最精确的时钟是科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所去年制造的量子逻辑钟，它的误差约为每37亿年1秒。而未来采用新的改进方式的原子钟又可能将发生1秒误差的时间延长到370亿年，这比宇宙年龄的两倍还要大。

这种超精确时钟的原理基于单铝离子的快速振动。失去一个电子的铝原子被限制在真空中的电磁场里，余下的电子则在原子核周围形成电子层。

“使用激光脉冲可以拍动电子层，让它像铃铛一样振动，”美国国家标准技术研究中心的提尔•罗斯班说。他制造了量子逻辑时钟。但铃铛每秒仅振动数百次，频率在人的听力范围内，而铝离子每秒能振动1.1×10¹⁵次，使铝离子成为超级振动器。

“由于振动非常快，所以它把时间分割成了更小的区间。”罗斯班说，“这样它提供的时间会非常精确。”

然而，秒的标准定义基于原子在绝对零度下的表现。但时钟需要在室温下工作，而此时电子层会膨胀开来。电子对黑体辐射——一种渗透空间的微弱热辐射场产生响应。

“也许你注意不到，但它的确存在，”罗斯班说，“铝离子也感应到了。”受热离子的振动频率稍有不同，这会使时钟精确度有所降低。目前物理学家无法得知精确度降低的具体数值。

“我认为，对发展下一代铝离子钟来说，了解这种变化是很必要的，”新研究的第一作者、特拉华大学的物理学家玛丽安娜•萨福诺娃说。他们的研究结果发布在5月6日巴尔的摩的激光与光电技术会议上。

由于原子结构的特性，铝对温度变化的敏感度很低，比另一种常用的原子钟材料——锶的敏感度要低1000倍。不过不敏感也意味着变换很难测量，计算也更复杂。

通过使用新方法将两种技术融合，萨福诺娃和她的同事研究出了基于基础物理学的新计算方法。其中一种技术着眼于铝离子外层电子之间的相互作用，另一种则专注于外层电子与内层电子及原子核的相互作用。

“我们从第一性原理出发，只考虑了量子力学和原子的基本知识，没有根据任何实验数据去调整算法。”萨福诺娃说。

新算法显示，在室温条件下，铝离子钟对温度的敏感性是5.7×10^-20摄氏度，(这里的意思是能够对多大的温度波动体现出差别来。如果温度的变化小于这个值，则时钟不能反映出差异来。) 与之相比，石英钟的敏感性是10^-6摄氏度。新算法将时钟误差减小到4×10^-19，能比目前已有的任何时钟提高一个数量级。

“我们正在研究该时钟的新版本，”罗斯班说。仍有一些误差因素需要解决，主要由于原子在电势阱中的微弱运动造成的。“不过黑体偏移是很重要的因素。我们已经基本解决了问题，因而可以把精力放在别的因素上。新算法会使新一代的时钟更加精确有效。”

研究人员说，制造越来越精确的时钟有助于解释基础物理学问题、提高GPS的准确性、预测地震、验证爱因斯坦的相对论等等。

“你可以制造更好的重力传感器，可以看到物理学基本定律随着时间的变化规律。”萨福诺娃说，“还有超精确导航，监控深空探测器。这种精密计时技术会有很多应用。”

来源：果壳网“科技名博”主题站、wired网站5月12日报道

沐右 审稿

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