量子逻辑时钟已经重新回到世界上实验原子钟的性能领先水平。过去八年，美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家们一直在悄悄地升级量子逻辑时钟设计，主要是为了减少由提供时钟“滴答”的单个铝离子(带电原子)不必要运动造成的误差。量子逻辑时钟的系统不确定性(时钟代表离子的自然振动或频率的紧密程度)是世界上最好的时钟。
这意味着量子逻辑时钟现在不会在330亿年里增加或减少一秒钟，这大约是宇宙估计年龄的2.5倍。在这个度量中，现在已经超过了NIST时钟的速度，NIST时钟使用的是被困在激光束晶格中的中性原子，镱晶格时钟和锶晶格时钟。量子逻辑时钟的性能并不奇怪，离子时钟自然地比晶格时钟更好地与环境隔离，而环境是原子时钟精度不准确的根源。
在这一点上区分精度和稳定性是很重要的。人们期望晶格时钟的稳定性最好，而现在确实做到了。新的量子逻辑时钟在精度上是世界领先的，但不稳定。逻辑时钟的稳定性(测量时间所需要的时间)为1.2×10^-15的1秒测量。
这是接近最好的一个离子时钟，但约10倍于两个NIST晶格时钟。量子逻辑时钟之所以得名，是因为它借用了实验量子计算中的逻辑决策技术。铝是一种非常稳定的时钟滴答声来源，每秒在两个能级之间振动超过100亿次，但它的特性不容易被激光操纵或探测到。因此，逻辑操作与合作伙伴镁离子是用来冷却铝和信号其滴答。此前NIST量子逻辑时钟就拥有所有实验原子钟中最好的性能。
爱因斯坦相对论“时间膨胀”方面的论证也引起了人们注意：在更高的海拔，时间流逝得更快，但当你走得更快时，时间流逝得更慢。从那以后，NIST的晶格时钟在性能上不断超越彼此，给人一种竞争的印象，即要找出一个赢家。事实上，所有时钟都是有用的研究目的，是未来时间标准或其他应用的可能竞争者。国际上对秒的定义自1967年以来一直基于铯原子，因此铯仍然是官方计时的“标尺”。逻辑时钟是国际科学界未来时间标准的一个竞争者。
NIST科学家们正在研究几种不同类型的实验时钟，每一种都基于不同的原子，并具有各自的优势。所有这些实验时钟都是基于光学频率，这比当今基于铯原子计时标准中使用的微波频率要高。几项技术进步使逻辑时钟的性能得到改善，包括一个新的离子阱设计，减少了热诱导离子运动，使操作接近理想的基态，或最低的运动能级。此外，使用较低的频率来操作离子阱，减少了用于离子阱电场引起的不必要离子运动。最后，改进的量子控制降低了由于离子运动引起的频移测量不确定性。
博科园｜研究/来自： 美国国家标准与技术研究院
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.033201
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