国家标准与技术研究所 JILA的镊子时钟使用光镊来限制和控制许多锶原子
信用:NIST JILA物理学家已经提高了他们的原子“镊子钟”的信号功率，并首次部分测量了它的性能，展示了接近最新一代最好的原子钟的高稳定性
这种不寻常的时钟使用激光镊子来捕获、控制和隔离原子，利用量子物理的技巧以及在量子信息处理、量子模拟和测量科学中的未来应用，为提高时钟性能提供了独特的可能性
在12月在线发表的《自然》杂志论文中有所描述
16，时钟平台是一个由大约150个锶原子组成的矩形网格，这些锶原子被光镊单独限制，光镊是由通过显微镜瞄准的激光束产生的，并被偏转成320个点
这款升级版时钟的原子数量是去年公布的初步设计的30倍，主要是因为使用了几种不同的激光器，包括一种用于捕获原子的绿色激光器和两种用于让原子“跳动”的红色激光器
" 在本文描述的实验中，一旦激光启动原子，这些原子中的一部分就会以相同的频率一致振动超过30秒，这是一项被称为量子相干的记录
大量的原子和它们长的相干时间导致了5
2 x 10-17at 1秒平均时间
这意味着每个时钟“滴答”的持续时间与其他时钟的持续时间在大约1
每秒9百万分之一秒
研究人员通过比较镊子时钟内的两个不同区域来测量稳定性，注意到这种性能接近JILA的三维锶晶格时钟，内部比较方法最初是为该时钟开发的
三维系统的稳定性随后通过两个光学晶格钟之间更常规的比较得到了验证
JILA由国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营
NIST/JILA物理学家亚当·坎夫曼说:“这项工作的重要突破之一是，我们找到了一种在保持量子相干性的同时制备许多原子的方法。”
“这是使原子数目比去年增加30倍的关键，这也使原子数目足以进行自我比较和观察长相干时间
但是，除了时钟，这种可伸缩性、一致性和单粒子控制的结合也为量子信息处理和模拟建立了这个系统
" NIST和JILA的研究人员多年来一直在制造原子钟
最新的时钟工作在光学频率上，这远远高于目前基于微波频率的时间标准
这项研究有助于为第二个原子的未来国际重新定义做准备，第二个原子自1967年以来一直基于铯原子
光学时钟也有超越计时的应用，例如增强量子信息科学
镊子时钟结合了当前运行的光学时钟的一些最理想的特征
例如，像普通的金属镊子一样，激光镊子提供对单个原子的精确控制
镊子时钟还提供了许多原子提供的强信号和稳定性——现在有数百个，未来的目标是一千多个镊子
为了制作时钟，研究人员将处于最低能量状态的冷原子云装入由绿色激光形成的320个镊子(16×20)的矩形二维阵列中
两个交叉的激光束重叠在镊子上，产生一种叫做光学晶格的驻波
光学晶格将镊子的功率需求降低到原来的1/30
每隔几秒钟就会有一团新的原子重新填满镊子
过滤过程使镊子位点要么只有一个原子，要么是空的；在每次实验中，每个镊子有50%的机会包含一个原子
研究人员随后关闭绿色激光器和晶格，改用红色镊子激光器，这需要更大的功率，但有利于时钟行为
镊子夹住的原子被垂直于镊子光线的粉红色“时钟激光”和磁场激发
时钟激光激发原子，原子开始在两个内部能级之间滴答作响
最后，绿色镊子被打开，一个照相机记录下原子的状态；它们只在低能级发出荧光，所以滴答声被记录为闪烁的光，并能被转换成计时信号
除了计时，JILA的研究人员对将镊子平台用于其他应用感到兴奋，如量子计算和模拟以及可编程量子传感器
光镊可以用来“纠缠”原子，这是一种量子现象，即使在很远的地方也能联系到原子的属性
像纠缠这样的特殊量子态可以提高时钟和传感器的测量灵敏度，也可以用于量子逻辑运算和量子过程模拟
“我认为人们真的应该在时钟之外寻找这个新平台，”NIST/JILA研究员和合著者叶军说
“凭借能够处理每个原子的能力，人们可以将可编程性引入量子传感和信息处理，这一功能对于针对特定任务优化系统非常强大
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