计时精度新纪录诞生,我国造出钙离子光钟,百亿年误差不到1秒

PigSay 2022-06-25 阅读:60

时间是贯穿宇宙间一切事物的一个维度,也反映着宇宙间各种事物的状态。人类科技发展到今天,对时间精度的掌握越来越重要,比如定位导航、5G通讯、飞行物和爆破物的精准控制、卫星发射及运行掌控等等,都在对时间精度上提出了更高的要求,我国在这方面有着怎样的成绩呢?

据人民网6月22日的报道,国际计量局官网日前更新了国际“秒”定义候选跃迁频率的推荐值,我国中科院精密测量院高克林团队研发的钙离子光频标的测量结果成功入选,目前该团队掌握的钙离子光频标测量方式堪称我国最精密的时间测量了,其精度已经达到105亿年的误差都不到1秒。

液氮低温钙离子光频标系统

说到精确计时器,我们都知道原子钟,前些年这种原子钟的精度已经可以达到数百万年误差1秒,如今这类计时器仍然在很多高端科技领域使用,比如我国空间站、北斗导航卫星以及一些其他航天器上使用的氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟等,后两种空间冷原子钟的精度可达到3,000万年误差不超1秒种。

但实际上原子钟可以分为两大类,分别是微波钟和光钟,我们常说的原子钟多指微波钟,它是以原子的微波波段共振频率作为时间频率计时基准的,上面提到的原子钟都是“微波钟”,相对而言光钟的精度更高,它是以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准的原子钟,一般认为光钟的工作频段比微波钟的工作频段高4到5个数量级,计时精度上也能比微波钟高出几个数量级。

很明显,现在这些冷原子钟也已经落后了,光钟才是未来一段时间内精确计时的发展方向。其实早在22年前,中科院精密测量院高克林团队就开始了钙离子光频标的研究,2005年时间实现了对单个钙离子的囚禁与冷却;2011年又研制出了国内首台1300万年偏差1秒的钙离子光频标,之后不断提升精度,5年后精度提升至2亿年偏差1秒,2019年又将精度提升至近10亿年偏差1秒,2020年精度达到24亿年误差一秒,同年还实现了武汉至北京的千公里级车载搬运,说明这种高精度光钟已可应用。

2022年4月时,计时精度又提升到了105亿年偏差1秒,比空间站上使用的铷原子钟精度高了350倍,达到了3E-18级,也就是在百亿年的时间跨度上才有可能误差一秒,太阳在主序星阶段的年龄大致为100亿~120亿年,也就是说在太阳的整个生命周期的时间跨度内,用这种光钟计时的误差也只在1秒左右。

高克林团队研发的钙离子光频标也是世界上首次实现液氮低温状态下运行的光钟,代表我国的时间测量又出新精度,也代表了目前我国高精度计时方面的最高水平,但这样的计时精度距目前的世界最高精度还有一个数量级的差距。目前的世界最高计时精度是美国麻省理工学院的一个研究团队利用量子纠缠现象设计出的一款新型原子钟,精度达到了1400亿年误差不超1秒,如今宇宙的年龄大致为138亿年,也就是说用这台量子纠缠计时器计时的话,那么从宇宙诞生至今,时间上的误差不会超过0.1秒。

参考资料:

《环球网》6月22日文章《105亿年偏差不到1秒,中国首次!》

《潇湘晨报》2021年2月3日文章《140亿年误差在0.1秒,揭秘“守时冠军”原子钟》

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