我們衡量時間的方式,可能很快就要發(fā)生改變。
目前,全球通用的協(xié)調(diào)世界時(UTC)是由分布在全球近 85 個實驗室的大約 450 臺原子鐘共同計算得出的。這套體系運行穩(wěn)定,但它所依賴的秒的定義,正面臨一次潛在的更新。
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來自澳大利亞阿德萊德大學(xué)的研究人員,聯(lián)合美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和英國國家物理實驗室,對下一代時間計量技術(shù)的未來進(jìn)行了系統(tǒng)回顧。
他們的結(jié)論是,光學(xué)原子鐘已經(jīng)發(fā)展到足以挑戰(zhàn)現(xiàn)有秒定義的階段。
這項綜述論文已發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Optica》上。
光學(xué)原子鐘正接近成為新標(biāo)準(zhǔn)
研究團(tuán)隊指出,光學(xué)原子鐘的技術(shù)進(jìn)步速度極快。如果若干關(guān)鍵技術(shù)問題能夠解決,它們在未來幾年內(nèi)有望成為全球時間計量的新“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。
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阿德萊德大學(xué)光子學(xué)與先進(jìn)傳感研究所的 Andre Luiten 教授表示,過去十年里,光學(xué)原子鐘的性能提升非常顯著。
它們的精度已經(jīng)超過了目前最先進(jìn)的微波原子鐘,并且開始具備走出實驗室環(huán)境的能力,而這恰恰是傳統(tǒng)原子鐘難以做到的。
光學(xué)原子鐘是如何工作的
光學(xué)原子鐘通常基于被激光冷卻并困在特定裝置中的原子或離子。
當(dāng)科學(xué)家用激光反復(fù)探測這些原子時,原子只會在一個極其穩(wěn)定、特定的光學(xué)頻率上發(fā)生響應(yīng)。這個頻率可以被轉(zhuǎn)化為極其精確的“滴答”,從而用于計時。
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正是這種對原子躍遷頻率的極端控制,使光學(xué)原子鐘成為目前人類制造過的最精密測量工具之一。
從實驗室研究走向國際時間體系
論文回顧了過去十年光學(xué)原子鐘在關(guān)鍵技術(shù)上的進(jìn)展,同時也總結(jié)了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的應(yīng)用前景。
Luiten 教授指出,十年前,光學(xué)原子鐘還完全沒有參與國際時間體系的運行。但到今天,已經(jīng)有至少 10 臺光學(xué)原子鐘被正式批準(zhǔn),用于國際時間的校準(zhǔn)和維護(hù)。
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這標(biāo)志著光學(xué)原子鐘已經(jīng)不再只是實驗室中的研究設(shè)備,而是開始進(jìn)入全球時間體系的實際運行層面。
不只是計時工具
研究人員同時指出,光學(xué)原子鐘的用途并不局限于計時。
由于其極高的精度和靈敏度,光學(xué)原子鐘可以作為重力傳感器使用,有望幫助建立一個不依賴海平面的國際高度參考系統(tǒng)。此外,它們還可能被用于測試基礎(chǔ)物理問題,例如暗物質(zhì)相關(guān)效應(yīng)。
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在應(yīng)用層面,光學(xué)原子鐘還有潛力在衛(wèi)星系統(tǒng)因太陽風(fēng)暴或人為攻擊而中斷時,維持關(guān)鍵系統(tǒng)的高精度時間基準(zhǔn)。
這一點已經(jīng)引起了商業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注,包括阿德萊德大學(xué)孵化企業(yè) QuantX Labs 在內(nèi)的多家公司,正在積極布局相關(guān)技術(shù)。
仍然存在的關(guān)鍵挑戰(zhàn)
盡管發(fā)展迅速,這項綜述也明確指出,光學(xué)原子鐘距離全面接管時間體系仍面臨多項挑戰(zhàn)。
其中之一是運行穩(wěn)定性問題,目前許多光學(xué)原子鐘仍只能間歇性工作。此外,關(guān)于如何重新定義“秒”,國際上仍需作出關(guān)鍵決策,例如是選用單一類型的光學(xué)原子鐘,還是采用多種光學(xué)鐘共同作為新標(biāo)準(zhǔn)。這些方案都需要通過直接比較來驗證其可靠性。
另一個現(xiàn)實問題是關(guān)鍵部件的供應(yīng)鏈尚不成熟,導(dǎo)致系統(tǒng)成本居高不下。不過研究人員認(rèn)為,量子計算和生物科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展,可能會在未來推動光學(xué)原子鐘變得更加廉價和易于獲取。
時間計量正處在一個轉(zhuǎn)折點
論文第一作者、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的 Tara Fortier 表示,光學(xué)原子鐘的性能幾乎以每十年提升百倍的速度進(jìn)步,這得益于原子物理和激光科學(xué)的持續(xù)突破。
她指出,通過系統(tǒng)展示光學(xué)原子鐘的性能、潛在角色以及未來挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊希望吸引更廣泛的科學(xué)與工程群體,參與到這一“自然界最精確計時器”的進(jìn)一步發(fā)展中。
值得注意的是,NIST 正是為美國提供官方時間,并參與制定全球時間尺度的核心機構(gòu)之一。這也意味著,關(guān)于秒的定義是否需要更新,已經(jīng)不再只是實驗室里的設(shè)想,而是進(jìn)入了國際計量體系的討論層面。
論文信息
Tara M. Fortier 等
《Optical atomic clocks: defining the future of time and frequency metrology》
期刊:《Optica》
發(fā)表時間:2026
DOI:10.1364/optica.575770
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