世界上最精确的时钟

滴答，滴答，滴答，时钟的节奏无处不在。但是这些滴答声完全一致吗？对于一些重要的应用，即使是难以察觉的微小偏差也可能出现问题。
对于这些应用，问题即将解决，一种最精准的时钟已经问世。这种时钟是安德烈•吕滕（Andre Luiten）在西澳大利亚大学即将毕业时完成的。他用的是一种极度寒冷的小型蓝宝石晶体。吕滕将它称为“低温蓝宝石振荡器”，它可用于支持军事雷达和量子计算等多种技术应用。他和他的同事正在阿德莱德大学（也在澳大利亚）从事这些应用研究，他现在是光子学和先进传感研究所（Institute for Photonics and Advanced Sensings）所长。这种新时钟又被称为蓝宝石时钟，它并不比原子钟好；它们不一样。因为准确度（accuracy）和精确度（precision）是不同的概念：准确度是时钟计量真正的1秒时间的准确程度，现在1秒钟被定义为铯原子在受控条件下在两个能态之间振荡9 192 631 770次的时间。2013年以来，虽然已经建造出了更准确的原子钟，但全球仍有400多个基于铯-133原子的原子钟用于建立民用时间。如果你现在正在智能手机或笔记本电脑上阅读这篇文章，屏幕边缘显示的时间便是由其中一个原子钟推算出来的。对于许多应用，例如卫星全球定位系统，精确度则是至关重要的。不要误会，铯原子钟也非常精确。位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院运行的NIST-F2铯钟非常精确，它运行3亿年才会快或慢1秒钟。但对某些应用来说，精确度比准确度更重要。精确度不需要完美地划定一个瞬间，而是要创造非常有规律的走时或振荡。想象一下飞镖游戏。原子钟能够将它们的所有飞镖或振荡都射在靶心周围，即使有一个飞镖可能偏离中心一两厘米，但它们的平均位置也恰好在靶心。吕滕的装置不求命中靶心：相反，它能够将所有飞镖都射在镖靶上完全相同的一位置。换句话说，每一步滴答都完全、完全、完全相同。为了达到非常高的精确度，吕滕需要找到一种新材料，保持电磁振荡的时间比铯原子束的更长。换言之，他需要一种光谱纯度更高、只对极窄频率作出反应的晶体，就像一根低损耗的吉他弦，可以振动很长时间，因此频率非常统一。最后的结果是蓝宝石，一种可以在实验室合成的氧化铝晶体。当冷却至-267摄氏度（6开尔文）并进行振荡时，这种晶体的均匀性使它的能耗比几乎任何其他已知材料都要少。这一特性使蓝宝石成为传播电磁辐射的理想表面。钻石也可以，但要获取大型、超纯的钻石样品，成本很高；硅很便宜，但因为它是半导体，所以会产生很大的电损耗。“我们使用的是一块圆柱形蓝宝石，其大小与迄今为止发现的最大的天然蓝宝石大致相同。”吕滕说，“我们注入微波，它们会自然地围绕蓝宝石的圆周传播。”我们注入微波的频率与蓝宝石的自然共振频率相同，使它们在晶体的外表面产生波纹，如声波一样沿着曲面传播。“当你在伦敦圣保罗教堂轻声说话时，声音会传遍教堂四周。”吕滕说，“我们使用的是同一个概念，只不过只用一组特定的频率。”为了与蓝宝石的自然共振频率（即每次振荡之后，“耳语”声波会得到增强的那一点）相匹配，吕滕和他在阿德莱德的同事调整了温度，以利用晶体中的杂质。“蓝宝石的结构很坚固，当受到外力作用时，它仍然以相同的频率回应。”遗憾的是，蓝宝石的卓越性能只在接近绝对零度时才表现出来。因此我们必须找到某种方法来保持晶体处于超冷状态。20世纪90年代初，当吕滕还在攻读博士学位时，他把蓝宝石放在了一个巨大的保温瓶底部，然后装满液氦。但是每隔六七天，这种液体就会完全蒸发，他和他的同事不得不再灌一次。吕滕决定将蓝宝石放置在低温冷冻机中，利用氦气使晶体保持低温和稳定。然而，随高压脉冲到达的气体会导致温度的波动和蓝宝石的振动，从而降低它的计时能力。吕滕的同事约翰•哈莱特（John Hartnett）提出减少冷却系统产生的振动的方法，使用金属隔离技术和一小槽液氦，而不是气氦。“液氦使我们能够在蓝宝石和冷冻机之间建立一个良好的热连接，且能阻止振动通过。”吕滕说。低温蓝宝石振荡器最终成型了，哈莱特的研究工作也在2010年获得了IEEE的W. G. 凯迪奖。下一个挑战是把蓝宝石时钟带到外面的世界。“振荡器是一种疯狂的科学工具，可以做这些惊人的测试，但它的用途仅限于此。”吕滕说。吕滕和哈莱特利用这项技术成立了一家名为Cryoclock的公司，他们俩现在都是这家公司的负责人。事实证明，他们的工作还远远没有完成，因为时钟有两个问题：第一，时钟的尺寸与一个小冰箱大致相当，对许多应用来说太大了；第二，价格昂贵，虽然该公司没有说明有多贵。尽管存在这些问题，但在澳大利亚，有一个组织既需要无与伦比的精确度，又有钱来支付：这就是澳大利亚皇家空军（RAAF）。为了监测澳大利亚广阔且人口稀少的北部海岸外的非法捕鱼和其他活动，澳大利亚皇家空军在澳大利亚BAE系统公司的支持下运行着一个超视距雷达系统，被称为“金达利作战雷达网”（JORN）。JORN使用了3个发射和接收站点，为了防止干扰，每台发射器和接收器之间相隔约100公里。发射站发出被电离层折射的高频信号，接收器监听船只和飞行器产生的回波。“JORN可以看到3 000公里外。”BAE的前项目负责人史蒂夫•温德（Steve Wynd）解释道，“但因为我们要向上发射这些信号并折射回来，所以它的最小范围约为1 000公里。”接收站包括480对天线，沿红色沙漠分两行平行排列，每一行长3公里。它们依赖多普勒效应——向雷达移动的物体返回的回波频率比远离雷达移动的物体要高，也就是说，信号会发生相移。“我们将信号传播出去，如果目标向我们移动或远离我们，我们就会看到多普勒频移。随着时间的推移，我们能够利用目标的方向和速度来形成目标轨迹。”温德说。信号从电离层折射回来使雷达能够看到地平线上的情况，但电离层的运动会导致信号发生变化，地球表面的反射也会变化。地球表面的雷达横截面很大，大约是目标横截面的100万倍，会造成目标识别困难。“我们面临的挑战之一是从背景杂波中分解出目标。”温德说，“如果杂波太强，信号就会消失。”这就是精确时钟真正发挥作用的地方。输出信号的频率受基准时钟走时的控制，目前基准时钟是一个基于石英的振荡器。如果这些走时不是很精确，那么输出信号的频率就会变得不精确，这就更难测量到回波的变化。此外，如果发射站和接收站的时钟走时不同步，那么整个系统将无法准确地测量出目标的距离。在这两种情况下，雷达产生的图像都比较嘈杂，这意味着目标移动会变小或变慢，甚至变得难以分辨。另一方面，稳定的传输频率和更好的同步可实现更精确的相移测量，意味着JORN能够更好地从杂波中分离出系统感兴趣的目标。澳大利亚军方称，蓝宝石时钟是一次“巨大的飞跃”，对于移动缓慢，即不稳定目标的图片，其清晰度比石英振荡器提高了3个数量级。石英晶体结构不同，会造成谐振频率不够清晰，石英振荡器输出信号的频谱纯度较低。而蓝宝石对振动不敏感，与钻石等其他矿物晶体相比，更容易获得超纯形式。虽然与石英相比，低温要求是一个缺点，但结果不言而喻。“这个差别就好比是15年前的等离子电视与现在的超高清电视一样。”温德强调说，“这个时钟能产生更清晰的图像。”然而，JORN接收站的庞大规模产生了另一个问题。回波来自不同的角度，导致它们到达天线对的时间略有不同。“我们有一个3公里长的阵列，而且物理位置上是固定的。”温德说，“如果目标位于左侧30度，那么波前到达左侧天线对的时间将略早于下一对，诸如此类。”为了弥补这一时间差，我们用波到达每个天线对精确时刻的快照对回波信号进行重建。实际上就是操作人员以电子方式控制雷达面向回波的方向。相较于石英振荡器，蓝宝石时钟的走时使JORN能够为每张快照进行更精确的定时。“我们获取每个天线读数的时间稍有不同。”温德说，“时钟源及其时钟分配的精确度越高，雷达分辨目标的能力就越强。”蓝宝石时钟的潜力显而易见。澳大利亚军方资助了两个时钟原型的制造，并将它们运到昆士兰进行试验。然后，研究小组发现，使用世界上最精确的时钟存在一个问题：你怎么知道它是否正常工作？因为这个时钟比任何其他计时器的精确度都要高3个数量级，所以很难测量它是不是在正常工作。幸运的是，有两个这样的时钟，“我们可以用一个比较另一个。”温德解释道。这两个时钟在雷达站停留了8周，作为JORN的一部分进行互相比较测试。虽然这项技术尚未能成为雷达的永久部件，但这个系统集成计划正在进行。“这项技术是可行的，但在可用性和可支持性方面，JORN有性能要求。”温德解释说，“这种工程设计方法与原型设计是不同的。”一位澳大利亚军方发言人说：“如果进展令人满意，我们有意将低温蓝宝石振荡器纳入JORN。”量子计算是蓝宝石时钟的另一个应用，因为它也需要非常精确的计时。首先，我们简要回顾一下这个理论：传统的计算机芯片切换开关电流，产生一个二进制信息位，用0或1来表示。而量子计算机则依赖于量子位——存在于复杂叠加状态的原子粒子，经常被描述为（也许简单地说）同时具有一个0和一个1。其效果是大大增加了一个量子位系统可以编码和处理的信息量。量子计算机的潜在性能随着量子位数量的增加呈指数增长。然而，量子位的问题是不稳定，容易出错。如果外部条件发生变化，比如外加电磁场，性能会受到极大的影响。“这种退化是一个重要的限制因素。”悉尼大学量子控制实验室主任迈克尔•比约克（Michael Biercuk）解释道，他同时也是初创企业Q-CTRL的创始人，“这是这个领域的致命弱点。”为了创造更好的硬件以阻挡外部世界的影响和保护量子位，我们已经付出了很多努力，但这还不够。“搞乱我们的不仅仅是外部世界。”比约克解释道，“随着量子硬件越来越好，我们不得不开始担心如何用主时钟同步所有正在运行的设备。”主时钟的走时有助于同步微波与量子位的自然频率相匹配，从而调谐微波来操控量子位。不稳定的时钟可以改变微波的频率，产生与量子位本身的不稳定性相同的错误。“为了有一个好的复合系统——主时钟加上量子位，我们需要一个稳定的微波源。”比约克说，“这就是蓝宝石时钟为我们提供的东西。”2018年，量子控制实验室购买了一个蓝宝石时钟，并且正在用它来制造更健壮、更稳定的量子计算机。初步结果表明，使用蓝宝石时钟后，量子位的有效寿命比现有方案延长了9倍。“蓝宝石时钟提供了一个纯净的起始频率，我们可以调制执行量子逻辑运算，对其他误差源具有鲁棒性。”比约克说，“将这个系统与原子（钟）基准结合起来，不仅可以提供绝对频率测量，还可以提供积年累月的长期稳定性。”如果蓝宝石时钟能够帮助量子计算机实用化，它将间接推动药物研究和密码学的发展。许多早期的药物研发使用计算机来模拟或分析致病机理背景的分子。与传统计算机相比，量子计算机可以模拟比较更大的分子。在密码学方面，量子方法可以破解现在需要几个世纪才能破解的加密算法，使我们数字生活的各方面都变得更易受到攻击。当然，前方依然存在大量挑战。例如，如果研究人员能找到一种方法缩减封装蓝宝石制冷机的尺寸和成本，那就太好了。该团队正在重新设计这个装置，在不增加额外损耗的情况下，通过提高晶体中磁性杂质的浓度，使其能够工作在50开尔文。虽然液氮达不到这个温度，但这已比6开尔文容易实现得多。它将使冷却装置更便宜，更省电，体积更小。该团队已对这项突破申请了临时专利，并吸引了航空和通信行业的兴趣。据说，他们正在准备一份重要的合同。“有人有兴趣把这种时钟用在飞机上，我们也希望有机会应用在5G通信系统中。”吕滕说。如果成功，吕滕及其团队将距离攀登和测定科学界的珠穆朗玛峰更近一步。他们长时间攀登的结果可能很快会变成一个常见情景，一部安静、不引人注目的机器，用一种纯洁、精确的语言讲述一个非凡的故事：滴答，滴答，滴答。作者：Ewen Levick

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