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精密测量院等研制出E-18精度的铝离子量子逻辑光钟

来源:     时间:2022-08-30

  近日,精密测量院黄学人研究团队联合武汉量子技术研究院(简称武汉量子院)在国内首台基于量子逻辑技术的铝离子光钟原理样机的研制工作中取得重要进展,其不确定度达到7.9×10-18。相关研究成果近期发表在学术期刊《THE EUROPEANPHYSICAL JOURNAL D》上。

  

  铝离子光钟装置

  人类对精密的追求从未止步,而时间(频率)正是当今世界上测量精度最高的基本物理量。为了提高测量精度,人们通常将观测量尽可能地转换为对时间(频率)的测量,而光钟则是目前国际上最高精度的频率基准装置。

  黄学人介绍到“这台光钟采用射频场囚禁单个铝离子,并采用钙离子进行协同冷却和量子逻辑光谱读出。作为离子光频标团队的负责人,黄学人研究团队从2012年开始搭建铝离子量子逻辑光钟研究平台开始,十年来,他带领团队成员夜以继日,攻克一个又一个技术难题,为的就是把核心技术牢牢地掌握在我国手中。

  

  铝离子量子逻辑光钟原理图

  在众多不同种类的光钟里,铝离子量子逻辑光钟有着独特的优势。2010年,美国国家标准技术局(NIST)的科学家创造了不确定度达8.6×10-18的世界光钟纪录,到2019年该指标更新至9.4×10-19,目前仍是光钟不确定纪录的保持者。和美国NIST采用铍或镁离子作为量子逻辑离子方案不同的是,由中国科学家打造的这台光钟创新性地采用了钙离子作为量子逻辑读出的离子。黄学人表示钙离子在快速低温冷却方面有着更好的优势,而且钙和铝的双钟跃迁使得其在突破当前的纪录方面有着更大的潜力由于国内光钟领域的研究相比国外起步晚,存在一些差距,但随着国家在科创新方面的高度重视和持续投入,这个差距正在明显缩小并有望反超

  

  铝离子光钟性能指标曲线

  作为量子科技的典型代表,光钟的精度水平已远超1967年国际计量局选定并沿用至今的秒定义实现方式(铯喷泉微波钟),成为下一代秒定义最有力的候选者。精密测量院等取得的这一重要进展,可为我们国家应对未来秒定义的变革争取更多国际话语权。同时,高精度的光钟在国家时间频率体系建设,尤其是在北斗卫星导航系统的定位和授时精度提升以及构建陆、海、空、天统一的高程基准方面有着不可替代的作用。实现光钟的产业化应用,为地球构建更精密的时间和空间坐标系,也是该团队同步开展小型化可搬运光钟研制的核心目标。

  论文链接:https://doi.org/10.1140/epjd/s10053-022-00451-1