超精密原子钟每3000亿年只损失1秒

来自威斯康辛大学麦迪逊分校的一个团队开发了一种光学晶格原子钟，这是“多路复用”光学钟的第一个例子，六个独立的时钟可以存在于相同的环境中。

它的设计允许该团队测试寻找引力波的方法，尝试探测暗物质，并通过时钟发现新的物理学。

威斯康辛大学麦迪逊分校的物理学教授、该研究的资深作者Shimon Kolkowitz说:“光学晶格时钟已经是世界上最好的时钟，我们在这里获得了前所未有的性能水平。”

“我们正在努力提高它们的性能，并开发基于这种性能改进的新兴应用程序。”

原子钟之所以如此精确，是因为它们利用了原子的一个基本特性:当一个电子改变能级时，它吸收或发射的光的频率与某一特定元素的所有原子相同。光学原子钟通过调谐到精确匹配这个频率的激光来计时，它们需要一些世界上最先进的激光器来保持精确的时间。

研究人员表示，他们的时钟只使用了“相对较差的激光”，所以他们知道，他们制造的任何时钟都不会是最精确的。

但他们也知道，光学时钟的许多下游应用需要像他们这样的便携式、商用激光器。

在他们的新研究中，他们创造了一个多路时钟，其中锶原子可以被分离成多个时钟排列在同一真空室中。只用一个原子钟，研究小组发现他们的激光只能在十分之一秒内可靠地激发相同原子数的电子。

然而，当他们将激光同时照射在室内的两个时钟上并进行比较时，两个时钟之间被激发电子的原子数量在26秒内保持不变。他们的结果意味着，他们可以进行有意义的实验，时间比激光在普通光学时钟中所允许的时间长得多。

“通常情况下，我们的激光会限制这些时钟的性能，”该研究的资深作者西蒙·科尔科维茨(Shimon Kolkowitz)说。“但由于钟表处于相同的环境中，受到完全相同的激光，激光的影响完全消失了。”

接下来，研究小组问他们如何精确地测量时钟之间的差异。由于重力、磁场或其他条件的不同，处于稍微不同环境中的两组原子会以稍微不同的速率运动。

他们进行了超过1000次的实验，在总共约3小时的时间里测量了两个时钟滴答声频率的差异。不出所料，由于钟表位于两个略微不同的位置，滴答声也略有不同。该团队证明，随着他们进行越来越多的测量，他们能够更好地测量这些差异。

最终，研究人员可以检测到两个时钟之间的滴答率差异，对应的是它们每3000亿年相差1秒——这一精确计时的测量为两个空间分离的时钟创造了世界纪录。

为了展示他们的时钟的潜在应用，该团队比较了每一对在一个循环中的六个多路复用时钟之间的频率变化。他们发现，当他们回到循环中的第一个时钟时，差异加起来为零，确认了他们测量的一致性，并建立了在网络中检测微小频率变化的可能性。