“中国光钟”奋起直追

    比传统电脑运算速度更快、资料储存更多的量子电脑，有望在本世纪内成真！今年诺贝尔物理学奖两位得主：法国物理学家阿罗什和美国物理学家维因兰德，突破了前人认为的不可能任务，成功捕捉个别粒子来测量及操控，为研发量子电脑打开大门。 　　
    “他们的突破性研究，让原本神秘的量子世界不再‘与世隔绝’，并使得量子光学的研究向应用发展。中国的时间频率计量研究将继续关注他们的研究成果。”中国计量院时间频率所所长方占军研究员表示，两位诺贝尔奖得主在业界享有盛名，得奖的呼声也一直很高，这次获奖可谓实至名归。 　　
    中国工程院院士、中国计量院首席研究员李天初解释，两位获奖者的实验方法可谓各有千秋，但他们的实验目的却是相同的。“阿罗什和维因兰德的研究小组分别发明并拓展出不同的巧妙的实验方法，在不影响粒子量子力学性质的情况下，成功地实现对量子系统的测量和操控，这在物理学上意义重大。” 　　
    此次获奖者之一的大卫·维因兰德是美国国家标准与技术研究院（NIST）（以下简称美国标准技术研究院）物理实验室与科罗拉多大学的物理学家。这个被李天初称为“离子光钟鼻祖”的物理学家的主要成就体现在两个方面：一是实验开创了基于离子阱的量子计算技术，为量子通讯和新一代超级量子计算机的诞生提供了可能；二是在离子存储光钟方面做出了杰出贡献。作为中国的计量界同行，李天初和方占军都不约而同地谈起维因兰德研制的至今为止世界上最准确的光钟——铝离子光钟，而这也是维因兰德在时间频率计量界备受关注的原因。据介绍，1978年维因兰德在全球首次提出了“离子光钟”的概念，他的团队研制出的铝离子光钟在2008年的不确定度已达到8.5×10-18。“相当于40亿年不差一秒。”李天初拿出笔和纸，详细演算后告诉记者。 　　
    中国计量院时间频率所目前承担着铯原子喷泉钟和激光冷却锶原子光晶格钟的研制及参与国际原子时协作，以及中国计量院世界协调时等工作，与维因兰德团队所属的美国标准技术研究院时间频率处有着频繁的工作交流。虽然与维因兰德本人不熟，但李天初和方占军对其研究内容都非常熟悉。 　　
    方占军介绍，光钟可以分为原子光钟和离子光钟。引领原子光钟研究的是日本的东京大学和美国的实验天体物理实验室（JILA）；引领离子光钟研究的就是维因兰德所在的美国标准技术院。现行的时间单位“秒”是以铯原子在微波波段上的跃迁为基础定义的。中国计量院的李天初团队先后研制的两型铯原子喷泉钟是中国复现秒定义的基准装置，准确度相当于1500万年不差一秒。而光钟是利用原子在光波波段的跃迁来定义时间/频率标准的，光学频率比微波频率高4到5个数量级，因此在相同其他条件下，光钟的准确度将优于微波钟，预期可超越目前最精准的铯原子钟好几百倍。 　　
    相对于美国、日本、法国、德国、英国等处于一流研究水准的国家，我国在光钟研制方面还处于跟踪研究阶段，起步较晚，而且基础薄弱，特别是在项目开始阶段，缺乏一手的研究资料和经验，很多数据都依靠国外的相关参考文献才能获得。 　　
    但目前，我国已有多家单位都在从事光钟研制工作，并也取得了一些重要成果。李天初介绍，据不完全统计，目前，中国计量院、清华大学、中科院武汉物数所、华东师范大学，中科院国家授时中心等9家单位在研制的光钟有13种共14台，我国已成为世界上研制光钟种类、台数和单位数最多的国家。 　　
    其中，2012年7月，中科院武汉物理与数学研究所高克林研究员领导的研究组成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”，并被国际计量委员会时间频率咨询委员会（CCTF）采纳参与国际推荐值的计算，这是中国光学频率标准的频率测量值第一次对国际推荐值作出贡献。 　　
    此外，中国计量院在研的锶原子光晶格钟和华东师范大学在研的镱原子光晶格光钟等都已取得了良好进展。
    2012年，方占军的研究团队迈出了关键的一步，获得了光晶格钟囚禁的锶88原子的边带可分辨中跃迁谱线，并有望能在2015年第20届CCTF会议之前实现锶87原子光晶格钟的闭环锁定，在应对世界时间标准的重新定义中为我国争得更多话语权。