中国科大实现稳定度和不确定度均优于5E-18的锶原子光晶格钟

中国科大实现稳定度和不确定度均优于5E-18的锶原子光晶格钟 该成果对未来实现远距离光钟比对、建立超高精度的光频标基准和全球性光钟网络奠定了重要的技术基础。相关成果于1月12日发表于国际计量领域重要学术期刊《计量学》。目前,最先进的光钟比国际上用于秒定义的微波喷泉钟的精度高出了两个数量级以上。正是基于量子精密测量技术的发展,第二十七届国际计量大会通过了“关于秒的未来重新定义”的决议,计划于2026年提出关于利用光钟重新定义国际单位制(SI)“秒”的具体路线,并将在2030年做出最终决定。为了推动基于光钟的新一代秒定义,要求至少3个不同实验室的光钟不确定度优于2×10-18,并通过光学链路或移动光钟实现优于5×10-18的频率比对精度。图1 中国科大Sr 1和Sr 2光钟的异步比对操作和稳定度性能研究团队近年来在基于光晶格的超冷原子量子模拟方面开展了卓有成效的工作,已先后在《自然》和《科学》发表了9篇论文,为发展高精度的光晶格钟奠定了必要的技术基础。在该工作中,研究团队实现了锶原子(87Sr)的激光冷却,并将其束缚在长寿命的一维光晶格中,利用一束预先锁定到超稳腔的超稳激光来探寻锶原子钟态跃迁,并实现了光钟闭环运行。通过两套独立的锶原子光晶格钟(Sr 1和Sr 2)进行了频率比对测量,得到单套光钟的稳定度在10000秒积分时间被达到了4×10-18,在47000秒达到了2.1×10-18,整体达到了5.4×10-16/sqrt(τ),τ是积分测量的时间。在此基础上,研究团队还对Sr 1光钟的系统频移因素开展了逐项评定,最终得到其系统不确定度为4.4×10-18相当于72亿年仅偏差1秒。上述性能指标表明该光钟系统已部分满足“秒”重新定义的要求。该研究工作提升了我国原子光频标的性能指标,结合潘建伟、张强、姜海峰、彭承志等前期实现的万秒稳定度优于4×10-19的百公里自由空间高精度时间频率传递 [Nature 610, 661 (2022)],为下一步建立远距离光钟比对(如 Sr/Yb, Sr/Ca+)奠定了坚实基础,对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。该研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科学基金委、中国科学院和新基石科学基金会等的资助。论文链接: ... PC版: 手机版:

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中国成功研制超稳定锶原子光晶格钟,72 亿年仅误差一秒

中国成功研制超稳定锶原子光晶格钟,72 亿年仅误差一秒 据中国科学技术大学官网消息,该校潘建伟、陈宇翱、戴汉宁等组成的研究团队,成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于 5×10-18(相当于数十亿年的误差不超过一秒)锶原子光晶格钟。 根据公开发表的数据,该系统不仅是当前国内综合指标最好的光钟,也使得我国成为继美国之后第二个达到上述综合指标的国家。该成果对未来实现远距离光钟比对、建立超高精度的光频标基准和全球性光钟网络奠定了重要的技术基础。 相关成果发表于国际计量领域重要学术期刊《》 频道:@kejiqu 群组:@kejiquchat

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世界上最精确的原子钟每300亿年误差仅1秒

世界上最精确的原子钟每300亿年误差仅1秒 你的米老鼠电子表在日常使用中可以很好地显示时间在开会或午餐时,这里或那里偏差一秒并不重要。但对于像太空发射这样的复杂事件来说,几分之一秒的误差可能意味着控制室里香槟酒瓶塞爆开与人类所能制造的最昂贵爆炸之间的差别。原子钟是实现这些惊人壮举的极其精确的仪器。它们的工作原理是计算某些原子极其可预测的振动例如,铯-133 每秒精确"滴答"9,192,631,770 次,自 20 世纪 60 年代以来,这一直被用来正式定义一秒的长度。它们的精确度在 3 亿年一秒之内。现在,JILA 的科学家们已经开发出了一种更加精确的原子钟。它基于该团队多年来的一些研发成果。首先,它不使用铯原子,而是使用锶原子,锶原子每秒滴答作响429万亿次。这种原子钟不使用微波来测量这些滴答声,而是使用频率高得多的可见光波。数以万计的锶原子被困在一种激光网(或称"光学晶格")中,当它们跳起可预测的舞蹈时,激光网将它们固定在原地。将如此多的锶原子困在一个地方有助于提高精确度,这些锶原子在数十亿年内只会下降一秒。 激光将一团锶原子困在世界上最精确的原子钟的"光学晶格"中 激光将一团锶原子困在世界上最精确的原子钟的"光学晶格"中K.Palubicki/NISTJILA 团队的新原子钟使用了更浅、更柔和的光阱,将精度提高到了破纪录的水平。这就避免了光学晶格原子钟经常出现的两个误差源激光光源的影响和原子相互碰撞。这种新设计的精确度显然可以达到万亿分之 8.1(10 后面有 19 个零)。换句话说,如果时钟运行 300 亿年,误差仅为一秒,这相当于目前宇宙年龄的两倍多。我们想说的是,这真是太精确了。这种惊人的精确度可以用来比以往任何时候都更好地测量时间,从而改进全球定位系统和通信等技术。但它也可以帮助探测物理学本身毕竟重力可以改变时间流逝的速度,而这个仪器可以测量一根头发粗细的距离上的这种差异。这项研究的作者叶俊说:"这个时钟非常精确,它甚至可以在微观尺度上探测到广义相对论等理论所预测的微小效应。它突破了计时的极限。"这项研究已被接受在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上发表,目前在 ArXiv 上以预印本的形式提供。编译自/ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度 麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术,可以将原子(用箭头表示的球体)排列得比以前更紧密,最小可达 50 纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中,磁相互作用由彩色线条表示。图片来源:研究人员提供;麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态,然后用激光将粒子排列到相距 500 纳米的位置这个限制是由光波长决定的。现在,麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术,可以将原子排列得更近,最小仅为 50 纳米。一个红血球的宽度约为 1000 纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法,镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子,并将两层原子精确定位在 50 纳米之间。在这种极端接近的情况下,磁相互作用的强度是相隔 500 纳米的两层原子的 1000 倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源:研究人员提供更重要的是,科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化",即热量从一层传递到另一层,以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远,这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔(Wolfgang Ketterle)说:"我们已经把原子的间距从 500 纳米提高到 50 纳米,可以利用这一点做很多事情。在 50 纳米处,原子的行为有了很大的不同,我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说,这种新方法可以应用于许多其他原子,以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力,以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源:研究人员提供为了操纵和排列原子,物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度,然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长(电场最大值之间的距离)和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在 500 纳米,即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引,因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此,现有技术对原子粒子的定位距离有限,无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说:"传统技术止步于 500 纳米,受限的不是原子,而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧,可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样,首先冷却原子云在这种情况下,冷却到大约 1 微开尔文,仅比绝对零度高出一线此时,原子接近静止。然后,物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后,杜和他的合作者使用了两束激光,每束激光都有不同的频率(即颜色)和圆偏振(即激光电场的方向)。当这两束激光穿过超冷原子云时,原子会沿着两束激光中任何一束的偏振,向相反的方向自旋。结果,两束激光产生了两组相同的原子,只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波,即空间周期为 500 纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同,每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整,使其各自峰值之间的距离小到 50 纳米,这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的 50 纳米分开。但要做到这一点,激光器必须非常稳定,不受任何外部噪音的影响,例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到,他们可以通过一根光纤来引导这两束激光,从而使它们保持稳定。杜力说:"通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动,但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试,研究小组使用了镝原子一种稀土金属,它是元素周期表中磁性最强的元素之一,尤其是在超低温条件下。然而,在原子尺度上,该元素的磁相互作用在 500 纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样,原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加,科学家们怀疑,如果他们的新技术能将镝原子间隔到 50 纳米的距离,就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说:"我们可能会突然产生磁相互作用,这种作用过去几乎可以忽略不计,但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝,首先对原子进行过冷处理,然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现,两层镝原子确实向各自的激光峰引力,这实际上将原子层分开了 50 纳米这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下,原子的自然磁性相互作用得到了显著增强,比相距 500 纳米的原子强 1000 倍。研究小组观察到,这些相互作用产生了两种新的量子现象:集体振荡,即一层的振动导致另一层同步振动;热化,即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出:"到目前为止,只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时,它们之间才能交换热量。现在,我们看到了被真空隔开的原子层,它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术,可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明,原子放置得足够近时,会表现出有趣的量子现象,可以利用这些现象来制造新的量子材料,并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说:"我们将超分辨率方法带入了这一领域,它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体,我们正在研究这些变体"。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性 量子物理学需要高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。从最近出现的模拟量子处理器来看,所谓的量子气体显微镜已被证明是在原子层面了解量子系统的强大工具。这些设备可以产生分辨率极高的量子气体图像:它们可以检测到单个原子。现在,ICFO研究人员(西班牙巴塞罗那)Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov博士和Antonio Rubio-Abadal博士,在ICFO的ICREA教授Leticia Tarruell的领导下,解释了他们是如何制造出自己的量子气体显微镜的,该显微镜以希腊雪女神命名为QUIONE。该小组的量子气体显微镜是世界上唯一一台对锶量子气体的单个原子进行成像的显微镜,也是西班牙第一台此类显微镜。除了可以分辨单个原子的极具冲击力的图像之外,QUIONE 的目标是量子模拟。正如 ICREA 教授 Leticia Tarruell 所解释的那样:"量子模拟可以用来将非常复杂的系统归结为更简单的模型,进而理解当前计算机无法回答的开放性问题,例如为什么有些材料即使在相对较高的温度下也能无损耗地导电"。玻璃池图片,中间为锶气云 图源:ICFOICFO 小组在这一领域的研究获得了国家层面(西班牙皇家物理学会的奖励,以及 BBVA 基金会、Ramón Areces 基金会、La Caixa 基金会和 Cellex 基金会的项目和赠款)和欧洲层面(包括一个 ERC 项目)的支持。此外,作为加泰罗尼亚政府推广量子技术承诺的一部分,QUIONE 还得到了加泰罗尼亚政府通过企业与工作部数字政策秘书处提供的共同资助。这项实验的奇特之处在于,他们成功地将锶气体带入量子态,将其置于光学晶格中,使原子可以通过碰撞产生相互作用,然后应用单原子成像技术。这三个因素加在一起,使 ICFO 的锶量子气体显微镜在同类产品中独一无二。实验室地图和量子模拟器的位置。资料来源:ICFO为什么是锶?迄今为止,这些显微镜装置依赖于锂和钾等碱性原子,与锶等碱土原子相比,锂和钾的光学光谱特性更为简单。这意味着在这些实验中,锶可以提供更多的成分。事实上,近年来,锶的独特性质使其成为量子计算和量子模拟领域非常受欢迎的应用元素。例如,锶原子云可以用作原子量子处理器,从而解决目前经典计算机所无法解决的问题。总之,ICFO 的研究人员看到了锶在量子模拟方面的巨大潜力,他们开始着手制造自己的量子气体显微镜。QUIONE 就是这样诞生的。实验室中的团队。从左至右Sandra Buob、Antonio Rubio-Abadal、Vasiliy Makhalov、Jonatan Höschele 和 Leticia Tarruell。资料来源:ICFO为此,他们首先降低了锶气体的温度。利用几束激光的作用力,原子的速度可以降低到几乎不动的程度,几乎不移动,在短短几毫秒内就能将温度降低到几乎绝对零度。然后,量子力学定律就会支配它们的行为,原子就会显示出量子叠加和纠缠等新特征。之后,在特殊激光器的帮助下,研究人员激活了光晶格,使原子沿着空间排列成网格状。"你可以把它想象成一个鸡蛋盒,其中的各个位置实际上就是你放鸡蛋的地方。但我们用原子代替了鸡蛋,用光学晶格代替了纸盒,"文章的第一作者桑德拉-布布解释说。"蛋杯"中的原子相互影响,有时会发生量子隧道效应,从一个地方移动到另一个地方。原子间的这种量子动力学模拟了某些材料中电子的量子动力学。因此,对这些系统的研究有助于理解某些材料的复杂行为,而这正是量子模拟的关键理念。气体和光学晶格准备就绪后,研究人员立即用显微镜拍摄了图像,终于可以逐个原子地观察锶量子气体了。至此,"QUIONE"的建造工作已经取得了成功,但它的创造者们还想从中获得更多。因此,除了照片之外,他们还拍摄了原子的视频,并能够观察到,虽然原子在成像过程中应该保持静止,但它们有时会跳到附近的晶格部位。这可以用量子隧道现象来解释。"原子从一个位置"跳"到另一个位置。这是非常美丽的景象,因为我们亲眼目睹了原子固有量子行为的直接表现。最后,研究小组利用他们的量子气体显微镜证实,锶气体是一种超流体,一种没有粘性的物质流动的量子相。"我们突然关闭了晶格激光器,这样原子就可以在空间膨胀并相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性,这就产生了干涉图案。"安东尼奥-鲁比奥-阿巴达尔博士解释说:"当我们的设备捕捉到它时,我们验证了样品中超流体的存在。""对于量子模拟来说,这是一个非常激动人心的时刻,"ICREA 教授莱蒂西亚-塔鲁埃尔(Leticia Tarruell)说。"现在,我们的量子气体显微镜中又增加了锶,也许不久之后我们就能模拟更复杂、更奇特的材料。新的物质相有望出现。我们还期望获得更强的计算能力,将这些机器用作模拟量子计算机。"编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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地球自转变慢了,5年后一分钟只有59秒?

地球自转变慢了,5年后一分钟只有59秒? 事实上,这样的表述并不准确,正确的表述应该为:2029年,某一个1分钟可能缩短为59秒,并且冰盖融化延后了这一天的到来。这到底是怎么回事呢?为什么1分钟还会减少成59秒呢?时间难道不是固定不变的吗?这又会对我们的生活产生哪些影响?我们的计时系统尽管时间似乎是均匀流逝的,但实际上我们已经调整了几十年每隔几年插入一个闰秒。为了更好地理解这个问题,首先需要了解下我们的计时系统。为确定时间,我们现在常见的时间系统包括三种,分别是:以地球自转周期为基准的世界时(Universal Time,UT1)以地球绕太阳公转周期为基准的历书时(Ephemeris Time,ET)以原子内部电子能级跃迁发射的电磁振荡频率为基准的原子时(International Atomic Time,法语:Temps Atomique International, TAI)世界时(UT1)是通过将地球自转一周的时间记为一天来确定的时间标准。它基于地球相对于平太阳的角度变化来划分时间刻度。世界时在航海和导航领域,以及天体测量和天文大地测量领域中,起到了重要作用。然而,由于地球自转的速度并不是恒定的,世界时的稳定性不足,难以完全满足现代科学研究和技术应用对极高精度时间的需求,比如天文观测和全球导航卫星系统(GNSS)。为了满足更高精度的实际需要,科学家们引入了原子时。具体来说,原子时是通过原子钟来实现的,而原子钟利用的是原子内部电磁振荡的周期来计时,这种振荡周期非常稳定。因此,原子时具有极高的准确度和稳定度,能够提供极其精准的时间标准,从而被广泛应用于科学研究、导航系统、通信网络等领域。铯原子钟 图片来源:维基百科在中国科学院国家授时中心空间锶原子光钟实验室,测量仪器显示相关实验信号。新华社记者 张博文摄967年,第十三届国际计量代表大会决定将秒的定义从天文秒改为原子秒,将铯-133原子无干扰的基态超精细能级跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定为1秒,也就是说,将铯-133原子发出的辐射振动9192631770次所持续的时间定为1秒,称作国际单位制秒。这一决定标志着原子时的正式确立,并为后续的时间计量系统的发展奠定了基础。值得一提的是,为了实现我们国家标准时间的自主校准,中国科学院国家授时中心以张首刚研究员为代表的科学家们长期扎根西部,甘于寂寞,攻关十余年,成功研制高稳定连续运行冷原子铯喷泉基准钟,把我国标准时间与国际标准时间的偏差从100纳秒减小到5纳秒内。一分钟为什么会变成59秒?以地球自转为参考的世界时,一直是国际标准时间产生的重要参数之一。一天被分为24小时,1小时60分钟,一分钟60秒,世界时刻反映了地球相对于宇宙背景的转动角度,这是很重要的。而采用原子时是一种非常准确、不变的时间定义方法,但它也带来了一个令人不安的后果:原子时与地球自转定义的世界时不太匹配。原子时与世界时之间的差异。图片来源:文献[1]几个世纪以来,时间测量的稳定度不断提高,使我们能够看到地球的自转速度并不恒定,这就会使原子时和世界时之间产生差异。为了兼顾这两种需要,便引入了协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)系统。当国际原子时与世界时的时刻相差达到0.9秒时,就需要对协调世界时(UTC)进行调整,即增加或减少1秒,以尽量接近世界时,这就是所谓的闰秒(负闰秒,最后一分钟为59秒;正闰秒,最后一分钟为61秒)。这种添加闰秒的世界时就是协调世界时,也称世界标准时间,是目前使用最广泛的时间系统。自1972年UTC正式使用至今以来,地球自转一直处于不断减慢的趋势,协调世界时已经添加了27个闰秒,均为正闰秒。然而,自2020年年中以来,地球自转速率呈现加快趋势。因此科学家估计,在2029年,人类可能就需要首次减少1秒为“负闰秒”,对应的1分钟只有59秒,来保持原子钟时间与地球自转周期的同步。地球自转速度为何不恒定?在千年的时间尺度上,地球自转速度的变化受三个地球物理过程的影响。首先,海水和海底之间的摩擦会逐渐消耗地球自转的动能,从而减缓地球的自转速度,这就是所谓的潮汐效应。其次,由于冰期后回弹,地球形状会发生变化,变得更为扁平,使地球的惯性矩发生变化,降低了其自转速度。这类似于滑冰运动员在旋转时将手臂向身体两侧平伸以减速旋转的原理。最后,地球内部的一些过程,即地核和其外层(地幔、地壳)之间的相互作用和相互影响,例如地磁场变化和地幔对流,也会导致地球自转速度产生变化。根据美国国家航空航天局(NASA)和国际地球自转和参考系统服务(IERS)的数据,地球的自转速度确实在缓慢减慢。研究表明,地球自转周期每个世纪增加大约1.8毫秒。虽然这个变化看似微小,但在长时间尺度上,其累积效应却非常显著。例如,古代天文学家记录的日食时间与我们今天计算的时间存在显著差异。2500年前(大约春秋战国时期)观测到的日食时间与现代时钟相比,时钟误差约为4小时。原本,科学家预计由于这些地球物理过程的作用,地球自转速度的减缓将使得首个“负闰秒”在2026年到来。然而,卫星测量数据显示,从1986年开始,随着全球气候变暖加剧,格陵兰和南极的冰盖正在加速融化。这一现象导致海平面加速上升,进一步减缓了地球自转速度。由于冰盖融化和海平面上升的双重效应,地球的惯性矩增加,自转速度变得更慢,从而推迟了负闰秒的到来。极地冰层融化并向赤道移动,减缓了地球的自转速度。图片来源:文献[3]闰秒会带来什么影响?闰秒通常在世界协调时(UTC)6月30日或12月31日的23:59:60实施。闰秒的调整对日常生活的直接影响较小,人们往往感受不到闰秒所带来的变化。但对依赖精确时间同步的技术系统和应用领域,如计算机、金融、航空航天等领域,闰秒却有重要影响。例如,闰秒的加入或删除需要全球同步,对计算机系统的时间管理提出了挑战。2012年,多个大型网站就因为时间同步错误,导致服务器崩溃,出现了短暂的服务中断。2015年,闰秒再度来临时,工程师们修复了部分2012年出现的问题,但发现了新的问题。又如,每次闰秒调整,GNSS系统需要更新时间数据,以保证授时精度。如果未能及时调整,可能导致导航电文的不准确。与传统的增加一秒的闰秒不同,史无前例的负闰秒将会给许多依赖精确时间同步的系统带来新的挑战和不确定性。计算机和网络系统、金融系统等等往往已经设计好如何处理增加的正闰秒,但对如何处理减少的负闰秒则可能缺乏足够的准备。科学家们正在呼吁各界共同努力,为负闰秒的实施做好充分准备,以确保全球技术系统的稳定和安全。尽管闰秒的初衷是保持UTC与地球自转时间UT1同步,但闰秒的调整,特别是潜在的负闰秒,正不断增加时间同步系统的复杂性。有人提议实施幅度更大的校正,如闰分、闰时,以将调整时间延长至百年、千年;也有人建议停止校正,同时公布世界时和国际原子时之间不断增长的时刻差。2022年第27届国际计量大会决定,最迟不晚于2035年废除闰秒,改为闰分,即允许国际原子时与世界时的时刻相差在1分钟以内。并要求各方协商提出一个可以将“协调世界时”持续至少百年的新方案。随着科技的发展,新的时间同步技术会不断涌现,例如更精准的光钟和更加智能的网络时间协议,都可能为解决闰秒问题提供新的途径。参考文献[1] Tavella, Patrizia, and Jerry X. Mitrovica. "M... PC版: 手机版:

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中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态 成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时,电子受到洛伦兹力的作用,在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠,对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时,分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子,这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质,有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式,即在特定材料的基础上,利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下,需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场,对实验要求较为苛刻。此外,传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量,一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰,灵活可控,是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场,通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场;通过对系统进行高精度可寻址的操控,可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量,并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟,是“第二次量子革命”的重要内容,有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍,此前,国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而,由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制,人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战,研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium,打破了目前主流的Transmon(传输子型)量子比特相干性与非简谐性之间的制约,用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步,团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场,使光子绕晶格的流动可积累Berry(贝里)相位,解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时,这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取,以及可编程性强的优势,为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中,研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质,验证了该系统的分数霍尔电导。同时,他们通过引入局域势场的方法,跟踪了准粒子的产生过程,证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作,认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价,这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”,这是一个令人印象深刻的实验,为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价,“这在科学和技术上都是一项杰出的成就” “实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。 ... PC版: 手机版:

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