“中國光鐘”奮起直追

??? 比傳統電腦運算速度更快、資料儲存更多的量子電腦，有望在本世紀內成真！今年諾貝爾物理學獎兩位得主：法國物理學家阿羅什和美國物理學家維因蘭德，突破了前人認為的不可能任務，成功捕捉個別粒子來測量及操控，為研發量子電腦打開大門。 　　
??? “他們的突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再‘與世隔絕’，并使得量子光學的研究向應用發展。中國的時間頻率計量研究將繼續關注他們的研究成果。”中國計量院時間頻率所所長方占軍研究員表示，兩位諾貝爾獎得主在業界享有盛名，得獎的呼聲也一直很高，這次獲獎可謂實至名歸。 　　
??? 中國工程院院士、中國計量院首席研究員李天初解釋，兩位獲獎者的實驗方法可謂各有千秋，但他們的實驗目的卻是相同的。“阿羅什和維因蘭德的研究小組分別發明并拓展出不同的巧妙的實驗方法，在不影響粒子量子力學性質的情況下，成功地實現對量子系統的測量和操控，這在物理學上意義重大。” 　　
??? 此次獲獎者之一的大衛·維因蘭德是美國國家標準與技術研究院（NIST）（以下簡稱美國標準技術研究院）物理實驗室與科羅拉多大學的物理學家。這個被李天初稱為“離子光鐘鼻祖”的物理學家的主要成就體現在兩個方面：一是實驗開創了基于離子阱的量子計算技術，為量子通訊和新一代超級量子計算機的誕生提供了可能；二是在離子存儲光鐘方面做出了杰出貢獻。作為中國的計量界同行，李天初和方占軍都不約而同地談起維因蘭德研制的至今為止世界上最準確的光鐘——鋁離子光鐘，而這也是維因蘭德在時間頻率計量界備受關注的原因。據介紹，1978年維因蘭德在全球首次提出了“離子光鐘”的概念，他的團隊研制出的鋁離子光鐘在2008年的不確定度已達到8.5×10-18。“相當于40億年不差一秒。”李天初拿出筆和紙，詳細演算后告訴記者。 　　
??? 中國計量院時間頻率所目前承擔著銫原子噴泉鐘和激光冷卻鍶原子光晶格鐘的研制及參與國際原子時協作，以及中國計量院世界協調時等工作，與維因蘭德團隊所屬的美國標準技術研究院時間頻率處有著頻繁的工作交流。雖然與維因蘭德本人不熟，但李天初和方占軍對其研究內容都非常熟悉。 　　
??? 方占軍介紹，光鐘可以分為原子光鐘和離子光鐘。引領原子光鐘研究的是日本的東京大學和美國的實驗天體物理實驗室（JILA）；引領離子光鐘研究的就是維因蘭德所在的美國標準技術院。現行的時間單位“秒”是以銫原子在微波波段上的躍遷為基礎定義的。中國計量院的李天初團隊先后研制的兩型銫原子噴泉鐘是中國復現秒定義的基準裝置，準確度相當于1500萬年不差一秒。而光鐘是利用原子在光波波段的躍遷來定義時間/頻率標準的，光學頻率比微波頻率高4到5個數量級，因此在相同其他條件下，光鐘的準確度將優于微波鐘，預期可超越目前最精準的銫原子鐘好幾百倍。 　　
??? 相對于美國、日本、法國、德國、英國等處于一流研究水準的國家，我國在光鐘研制方面還處于跟蹤研究階段，起步較晚，而且基礎薄弱，特別是在項目開始階段，缺乏一手的研究資料和經驗，很多數據都依靠國外的相關參考文獻才能獲得。 　　
??? 但目前，我國已有多家單位都在從事光鐘研制工作，并也取得了一些重要成果。李天初介紹，據不完全統計，目前，中國計量院、清華大學、中科院武漢物數所、華東師范大學，中科院國家授時中心等9家單位在研制的光鐘有13種共14臺，我國已成為世界上研制光鐘種類、臺數和單位數最多的國家。 　　
??? 其中，2012年7月，中科院武漢物理與數學研究所高克林研究員領導的研究組成功研制出我國首臺基于單個囚禁鈣離子的“光鐘”，并被國際計量委員會時間頻率咨詢委員會（CCTF）采納參與國際推薦值的計算，這是中國光學頻率標準的頻率測量值第一次對國際推薦值作出貢獻。 　　
??? 此外，中國計量院在研的鍶原子光晶格鐘和華東師范大學在研的鐿原子光晶格光鐘等都已取得了良好進展。
??? 2012年，方占軍的研究團隊邁出了關鍵的一步，獲得了光晶格鐘囚禁的鍶88原子的邊帶可分辨中躍遷譜線，并有望能在2015年第20屆CCTF會議之前實現鍶87原子光晶格鐘的閉環鎖定，在應對世界時間標準的重新定義中為我國爭得更多話語權。