德国联邦物理技术研究院团队近期在计时技术领域取得了重大突破，成功研发了一系列高精度的光学原子钟，包括单离子时钟和光晶格时钟。这些新型时钟的精确度远超现有标准，比国际单位制中定义“秒”的铯原子钟精确了1000倍以上，相关研究成果已在《物理评论快报》上发表。

下一代原子钟采用激光频率作为计时基准，其频率是铯原子钟所用微波频率的近10万倍。尽管目前仍处于评估阶段，但部分现有光学原子钟的准确性已达到铯钟的100倍。随着进一步的测试和全球范围内的验证，这些新型时钟有望成为全球重新定义“秒”这一时间单位的关键工具。

在光学原子钟的工作机制中，原子被特定频率的激光照射，从而改变其量子态。为确保这一转变的准确性，必须采取措施保护原子免受外界干扰，并精确测量任何剩余影响。对于含有囚禁离子的光学原子钟而言，这一过程尤为有效。离子可通过电场捕获，在真空中保持在极小空间内，从而实现接近理想的无干扰量子系统。因此，离子钟的相对系统不确定度能达到小数点后18位以外的极高水平。这意味着，如果从宇宙大爆炸开始计时，这样的时钟最多只会有一秒的误差。

传统上，这些时钟依赖于单一时钟离子发出的信号，测量频率需要较长时间，有时甚至长达两周。为提高效率，新开发的时钟采用了并行化处理技术，即多个不同种类的离子可在同一离子阱中同时被捕获。这些离子相互作用形成晶体结构，结合不同类型离子的特性来增强性能。此次团队选择了铟离子，因其具有实现高精度的优越属性，并添加了镱离子用于有效冷却。

通过创新方法，团队解决了既往技术难点，使得新时钟精度接近小数点后18位。在比较测量中，涉及了德国联邦物理技术研究院另外两个光学时钟系统（单离子镱钟、锶晶格钟）和一个微波时钟系统（铯喷泉钟）。铟钟与镱钟之间的比率首次达到了总体不确定度的要求，符合重新定义“秒”所需的严格标准。

该方案的推出预示着新一代高度稳定和精确的光学离子钟时代的到来。它不仅适用于其他类型的离子，还为全新的时钟概念铺平了道路，有望在未来对科学研究和计时技术产生深远影响。

（文章来源：科技日报）