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

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：

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：

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：

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：

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性 卡文迪什实验室的研究人员在六方氮化硼（hBN）中发现了原子缺陷在环境条件下的自旋相干性，这是量子材料领域的一项罕见成就。这项发表在《自然-材料》（Nature Materials）上的研究强调，这些自旋可以用光来控制，对未来的量子技术（包括传感和安全通信）具有广阔的前景。研究结果还强调了进一步探索提高缺陷可靠性和延长自旋存储时间的必要性，凸显了氢化硼在推进量子技术应用方面的潜力。资料来源：埃莉诺-尼科尔斯，卡文迪什实验室自旋相干性是指电子自旋能够长期保持量子信息。这一发现意义重大，因为能够在环境条件下承载量子特性的材料相当罕见。发表在《自然-材料》（Nature Materials）上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。论文共同作者、卡文迪什实验室 Rubicon 博士后研究员 Carmem M. Gilardoni 说："研究结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入某种量子态，这种信息就能存储约百万分之一秒，从而使这一系统成为一个非常有前景的量子应用平台。""这看起来似乎很短，但有趣的是，这个系统并不需要特殊的条件它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大型磁铁"。六方氮化硼（hBN）是一种由一原子厚的层堆叠而成的超薄材料，有点像纸张。这些层通过分子间的作用力固定在一起。但有时，这些层内会出现"原子缺陷"，类似于晶体内部夹杂着分子。这些缺陷可以通过明确的光学转变吸收和发射可见光范围内的光，还可以作为电子的局部陷阱。由于 hBN 中存在这些"原子缺陷"，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为方式。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。这一发现为未来的技术应用，尤其是传感技术的应用铺平了道路。不过，由于这是首次有人报告该系统的自旋相干性，因此在其成熟到足以用于技术应用之前，还有很多问题需要研究。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探究我们能在多大程度上延长自旋存储时间，以及我们能否优化对量子技术应用非常重要的系统和材料参数，如缺陷的长期稳定性和该缺陷发出的光的质量。"与这一系统的合作向我们彰显了材料基础研究的力量。至于 hBN 系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台中利用激发态动力学，用于未来的量子技术。"论文第一作者 Hannah Stern 博士说，她在卡文迪什实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师。未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信等多个不同方向。"每一个新的有前途的系统都将拓宽可用材料的工具包，而朝着这个方向迈出的每一步都将推动量子技术的可扩展实施。这些成果证实了层状材料有望实现这些目标，"领导该项目的卡文迪什实验室主任梅特-阿塔图雷（Mete Atatüre）教授总结道。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：