世界上最精確的時(shí)鐘
滴答，滴答，滴答，時(shí)鐘的節奏無(wú)處不在。但是這些滴答聲完全一致嗎？對于一些重要的應用，即使是難以察覺(jué)的微小偏差也可能出現問(wèn)題。對于這些應用，問(wèn)題即將解決，一種最精準的時(shí)鐘已經(jīng)問(wèn)世。這種時(shí)鐘是安德烈?呂滕（Andre Luiten）在西澳大利亞大學(xué)即將畢業(yè)時(shí)完成的。他用的是一種極度寒冷的小型藍寶石晶體。呂滕將它稱(chēng)為“低溫藍寶石振蕩器”，它可用于支持軍事雷達和量子計算等多種技術(shù)應用。他和他的同事正在阿德萊德大學(xué)（也在澳大利亞）從事這些應用研究，他現在是光子學(xué)和先進(jìn)傳感研究所（Institute for Photonics and Advanced Sensings）所長(cháng)。這種新時(shí)鐘又被稱(chēng)為藍寶石時(shí)鐘，它并不比原子鐘好；它們不一樣。因為準確度（accuracy）和精確度（precision）是不同的概念：準確度是時(shí)鐘計量真正的1秒時(shí)間的準確程度，現在1秒鐘被定義為銫原子在受控條件下在兩個(gè)能態(tài)之間振蕩9 192 631 770次的時(shí)間。2013年以來(lái)，雖然已經(jīng)建造出了更準確的原子鐘，但全球仍有400多個(gè)基于銫-133原子的原子鐘用于建立民用時(shí)間。如果你現在正在智能手機或筆記本電腦上閱讀這篇文章，屏幕邊緣顯示的時(shí)間便是由其中一個(gè)原子鐘推算出來(lái)的。對于許多應用，例如衛星全球定位系統，精確度則是至關(guān)重要的。不要誤會(huì )，銫原子鐘也非常精確。位于科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術(shù)研究院運行的NIST-F2銫鐘非常精確，它運行3億年才會(huì )快或慢1秒鐘。但對某些應用來(lái)說(shuō)，精確度比準確度更重要。精確度不需要完美地劃定一個(gè)瞬間，而是要創(chuàng )造非常有規律的走時(shí)或振蕩。想象一下飛鏢游戲。原子鐘能夠將它們的所有飛鏢或振蕩都射在靶心周?chē)?，即使有一個(gè)飛鏢可能偏離中心一兩厘米，但它們的平均位置也恰好在靶心。呂滕的裝置不求命中靶心：相反，它能夠將所有飛鏢都射在鏢靶上完全相同的一位置。換句話(huà)說(shuō)，每一步滴答都完全、完全、完全相同。為了達到非常高的精確度，呂滕需要找到一種新材料，保持電磁振蕩的時(shí)間比銫原子束的更長(cháng)。換言之，他需要一種光譜純度更高、只對極窄頻率作出反應的晶體，就像一根低損耗的吉他弦，可以振動(dòng)很長(cháng)時(shí)間，因此頻率非常統一。最后的結果是藍寶石，一種可以在實(shí)驗室合成的氧化鋁晶體。當冷卻至-267攝氏度（6開(kāi)爾文）并進(jìn)行振蕩時(shí)，這種晶體的均勻性使它的能耗比幾乎任何其他已知材料都要少。這一特性使藍寶石成為傳播電磁輻射的理想表面。鉆石也可以，但要獲取大型、超純的鉆石樣品，成本很高；硅很便宜，但因為它是半導體，所以會(huì )產(chǎn)生很大的電損耗。“我們使用的是一塊圓柱形藍寶石，其大小與迄今為止發(fā)現的最大的天然藍寶石大致相同?！眳坞f(shuō)，“我們注入微波，它們會(huì )自然地圍繞藍寶石的圓周傳播?！?/span>我們注入微波的頻率與藍寶石的自然共振頻率相同，使它們在晶體的外表面產(chǎn)生波紋，如聲波一樣沿著(zhù)曲面傳播?！爱斈阍趥惗厥ケＡ_教堂輕聲說(shuō)話(huà)時(shí)，聲音會(huì )傳遍教堂四周?！眳坞f(shuō)，“我們使用的是同一個(gè)概念，只不過(guò)只用一組特定的頻率?！?/span>為了與藍寶石的自然共振頻率（即每次振蕩之后，“耳語(yǔ)”聲波會(huì )得到增強的那一點(diǎn)）相匹配，呂滕和他在阿德萊德的同事調整了溫度，以利用晶體中的雜質(zhì)?！八{寶石的結構很堅固，當受到外力作用時(shí)，它仍然以相同的頻率回應?！?/span>
遺憾的是，藍寶石的卓越性能只在接近絕對零度時(shí)才表現出來(lái)。因此我們必須找到某種方法來(lái)保持晶體處于超冷狀態(tài)。20世紀90年代初，當呂滕還在攻讀博士學(xué)位時(shí)，他把藍寶石放在了一個(gè)巨大的保溫瓶底部，然后裝滿(mǎn)液氦。但是每隔六七天，這種液體就會(huì )完全蒸發(fā)，他和他的同事不得不再灌一次。呂滕決定將藍寶石放置在低溫冷凍機中，利用氦氣使晶體保持低溫和穩定。然而，隨高壓脈沖到達的氣體會(huì )導致溫度的波動(dòng)和藍寶石的振動(dòng)，從而降低它的計時(shí)能力。呂滕的同事約翰?哈萊特（John Hartnett）提出減少冷卻系統產(chǎn)生的振動(dòng)的方法，使用金屬隔離技術(shù)和一小槽液氦，而不是氣氦。
“液氦使我們能夠在藍寶石和冷凍機之間建立一個(gè)良好的熱連接，且能阻止振動(dòng)通過(guò)。”呂滕說(shuō)。低溫藍寶石振蕩器最終成型了，哈萊特的研究工作也在2010年獲得了IEEE的W. G. 凱迪獎。下一個(gè)挑戰是把藍寶石時(shí)鐘帶到外面的世界?！罢袷幤魇且环N瘋狂的科學(xué)工具，可以做這些驚人的測試，但它的用途僅限于此?！眳坞f(shuō)。呂滕和哈萊特利用這項技術(shù)成立了一家名為Cryoclock的公司，他們倆現在都是這家公司的負責人。事實(shí)證明，他們的工作還遠遠沒(méi)有完成，因為時(shí)鐘有兩個(gè)問(wèn)題：第一，時(shí)鐘的尺寸與一個(gè)小冰箱大致相當，對許多應用來(lái)說(shuō)太大了；第二，價(jià)格昂貴，雖然該公司沒(méi)有說(shuō)明有多貴。盡管存在這些問(wèn)題，但在澳大利亞，有一個(gè)組織既需要無(wú)與倫比的精確度，又有錢(qián)來(lái)支付：這就是澳大利亞皇家空軍（RAAF）。為了監測澳大利亞廣闊且人口稀少的北部海岸外的非法捕魚(yú)和其他活動(dòng)，澳大利亞皇家空軍在澳大利亞BAE系統公司的支持下運行著(zhù)一個(gè)超視距雷達系統，被稱(chēng)為“金達利作戰雷達網(wǎng)”（JORN）。JORN使用了3個(gè)****和接收站點(diǎn)，為了防止干擾，每臺****和接收器之間相隔約100公里。****站發(fā)出被電離層折射的高頻信號，接收器監聽(tīng)船只和飛行器產(chǎn)生的回波?！癑ORN可以看到3 000公里外?！盉AE的前項目負責人史蒂夫?溫德（Steve Wynd）解釋道，“但因為我們要向上****這些信號并折射回來(lái)，所以它的最小范圍約為1 000公里?！?/span>接收站包括480對天線(xiàn)，沿紅色沙漠分兩行平行排列，每一行長(cháng)3公里。它們依賴(lài)多普勒效應——向雷達移動(dòng)的物體返回的回波頻率比遠離雷達移動(dòng)的物體要高，也就是說(shuō)，信號會(huì )發(fā)生相移。“我們將信號傳播出去，如果目標向我們移動(dòng)或遠離我們，我們就會(huì )看到多普勒頻移。隨著(zhù)時(shí)間的推移，我們能夠利用目標的方向和速度來(lái)形成目標軌跡?！睖氐抡f(shuō)。信號從電離層折射回來(lái)使雷達能夠看到地平線(xiàn)上的情況，但電離層的運動(dòng)會(huì )導致信號發(fā)生變化，地球表面的反射也會(huì )變化。地球表面的雷達橫截面很大，大約是目標橫截面的100萬(wàn)倍，會(huì )造成目標識別困難。“我們面臨的挑戰之一是從背景雜波中分解出目標?！睖氐抡f(shuō)，“如果雜波太強，信號就會(huì )消失?！?/span>這就是精確時(shí)鐘真正發(fā)揮作用的地方。輸出信號的頻率受基準時(shí)鐘走時(shí)的控制，目前基準時(shí)鐘是一個(gè)基于石英的振蕩器。如果這些走時(shí)不是很精確，那么輸出信號的頻率就會(huì )變得不精確，這就更難測量到回波的變化。此外，如果****站和接收站的時(shí)鐘走時(shí)不同步，那么整個(gè)系統將無(wú)法準確地測量出目標的距離。在這兩種情況下，雷達產(chǎn)生的圖像都比較嘈雜，這意味著(zhù)目標移動(dòng)會(huì )變小或變慢，甚至變得難以分辨。另一方面，穩定的傳輸頻率和更好的同步可實(shí)現更精確的相移測量，意味著(zhù)JORN能夠更好地從雜波中分離出系統感興趣的目標。澳大利亞軍方稱(chēng)，藍寶石時(shí)鐘是一次“巨大的飛躍”，對于移動(dòng)緩慢，即不穩定目標的圖片，其清晰度比石英振蕩器提高了3個(gè)數量級。石英晶體結構不同，會(huì )造成諧振頻率不夠清晰，石英振蕩器輸出信號的頻譜純度較低。而藍寶石對振動(dòng)不敏感，與鉆石等其他礦物晶體相比，更容易獲得超純形式。雖然與石英相比，低溫要求是一個(gè)缺點(diǎn)，但結果不言而喻?！斑@個(gè)差別就好比是15年前的等離子電視與現在的超高清電視一樣?！睖氐聫娬{說(shuō)，“這個(gè)時(shí)鐘能產(chǎn)生更清晰的圖像?！?/span>
然而，JORN接收站的龐大規模產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題。回波來(lái)自不同的角度，導致它們到達天線(xiàn)對的時(shí)間略有不同。“我們有一個(gè)3公里長(cháng)的陣列，而且物理位置上是固定的?！睖氐抡f(shuō)，“如果目標位于左側30度，那么波前到達左側天線(xiàn)對的時(shí)間將略早于下一對，諸如此類(lèi)?！?/span>為了彌補這一時(shí)間差，我們用波到達每個(gè)天線(xiàn)對精確時(shí)刻的快照對回波信號進(jìn)行重建。實(shí)際上就是操作人員以電子方式控制雷達面向回波的方向。相較于石英振蕩器，藍寶石時(shí)鐘的走時(shí)使JORN能夠為每張快照進(jìn)行更精確的定時(shí)?！拔覀儷@取每個(gè)天線(xiàn)讀數的時(shí)間稍有不同?！睖氐抡f(shuō)，“時(shí)鐘源及其時(shí)鐘分配的精確度越高，雷達分辨目標的能力就越強?！?/span>
藍寶石時(shí)鐘的潛力顯而易見(jiàn)。澳大利亞軍方資助了兩個(gè)時(shí)鐘原型的制造，并將它們運到昆士蘭進(jìn)行試驗。然后，研究小組發(fā)現，使用世界上最精確的時(shí)鐘存在一個(gè)問(wèn)題：你怎么知道它是否正常工作？因為這個(gè)時(shí)鐘比任何其他計時(shí)器的精確度都要高3個(gè)數量級，所以很難測量它是不是在正常工作。幸運的是，有兩個(gè)這樣的時(shí)鐘，“我們可以用一個(gè)比較另一個(gè)?！睖氐陆忉尩?。這兩個(gè)時(shí)鐘在雷達站停留了8周，作為JORN的一部分進(jìn)行互相比較測試。雖然這項技術(shù)尚未能成為雷達的永久部件，但這個(gè)系統集成計劃正在進(jìn)行?！斑@項技術(shù)是可行的，但在可用性和可支持性方面，JORN有性能要求?！睖氐陆忉屨f(shuō)，“這種工程設計方法與原型設計是不同的?！?/span>一位澳大利亞軍方發(fā)言人說(shuō)：“如果進(jìn)展令人滿(mǎn)意，我們有意將低溫藍寶石振蕩器納入JORN?！?/span>量子計算是藍寶石時(shí)鐘的另一個(gè)應用，因為它也需要非常精確的計時(shí)。首先，我們簡(jiǎn)要回顧一下這個(gè)理論：傳統的計算機芯片切換開(kāi)關(guān)電流，產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制信息位，用0或1來(lái)表示。而量子計算機則依賴(lài)于量子位——存在于復雜疊加狀態(tài)的原子粒子，經(jīng)常被描述為（也許簡(jiǎn)單地說(shuō)）同時(shí)具有一個(gè)0和一個(gè)1。其效果是大大增加了一個(gè)量子位系統可以編碼和處理的信息量。量子計算機的潛在性能隨著(zhù)量子位數量的增加呈指數增長(cháng)。然而，量子位的問(wèn)題是不穩定，容易出錯。如果外部條件發(fā)生變化，比如外加電磁場(chǎng)，性能會(huì )受到極大的影響?！斑@種退化是一個(gè)重要的限制因素?！毕つ岽髮W(xué)量子控制實(shí)驗室主任邁克爾?比約克（Michael Biercuk）解釋道，他同時(shí)也是初創(chuàng )企業(yè)Q-CTRL的創(chuàng )始人，“這是這個(gè)領(lǐng)域的致命弱點(diǎn)?！?/span>為了創(chuàng )造更好的硬件以阻擋外部世界的影響和保護量子位，我們已經(jīng)付出了很多努力，但這還不夠?！案銇y我們的不僅僅是外部世界?！北燃s克解釋道，“隨著(zhù)量子硬件越來(lái)越好，我們不得不開(kāi)始擔心如何用主時(shí)鐘同步所有正在運行的設備?！?/span>主時(shí)鐘的走時(shí)有助于同步微波與量子位的自然頻率相匹配，從而調諧微波來(lái)操控量子位。不穩定的時(shí)鐘可以改變微波的頻率，產(chǎn)生與量子位本身的不穩定性相同的錯誤。“為了有一個(gè)好的復合系統——主時(shí)鐘加上量子位，我們需要一個(gè)穩定的微波源?！北燃s克說(shuō)，“這就是藍寶石時(shí)鐘為我們提供的東西?！?/span>
2018年，量子控制實(shí)驗室購買(mǎi)了一個(gè)藍寶石時(shí)鐘，并且正在用它來(lái)制造更健壯、更穩定的量子計算機。初步結果表明，使用藍寶石時(shí)鐘后，量子位的有效壽命比現有方案延長(cháng)了9倍。“藍寶石時(shí)鐘提供了一個(gè)純凈的起始頻率，我們可以調制執行量子邏輯運算，對其他誤差源具有魯棒性?！北燃s克說(shuō)，“將這個(gè)系統與原子（鐘）基準結合起來(lái)，不僅可以提供絕對頻率測量，還可以提供積年累月的長(cháng)期穩定性?！?/span>如果藍寶石時(shí)鐘能夠幫助量子計算機實(shí)用化，它將間接推動(dòng)****物研究和密碼學(xué)的發(fā)展。許多早期的****物研發(fā)使用計算機來(lái)模擬或分析致病機理背景的分子。與傳統計算機相比，量子計算機可以模擬比較更大的分子。在密碼學(xué)方面，量子方法可以破解現在需要幾個(gè)世紀才能破解的加密算法，使我們數字生活的各方面都變得更易受到攻擊。當然，前方依然存在大量挑戰。例如，如果研究人員能找到一種方法縮減封裝藍寶石制冷機的尺寸和成本，那就太好了。該團隊正在重新設計這個(gè)裝置，在不增加額外損耗的情況下，通過(guò)提高晶體中磁性雜質(zhì)的濃度，使其能夠工作在50開(kāi)爾文。雖然液氮達不到這個(gè)溫度，但這已比6開(kāi)爾文容易實(shí)現得多。它將使冷卻裝置更便宜，更省電，體積更小。該團隊已對這項突破申請了臨時(shí)專(zhuān)利，并吸引了航空和通信行業(yè)的興趣。據說(shuō)，他們正在準備一份重要的合同。“有人有興趣把這種時(shí)鐘用在飛機上，我們也希望有機會(huì )應用在5G通信系統中?！眳坞f(shuō)。如果成功，呂滕及其團隊將距離攀登和測定科學(xué)界的珠穆朗瑪峰更近一步。他們長(cháng)時(shí)間攀登的結果可能很快會(huì )變成一個(gè)常見(jiàn)情景，一部安靜、不引人注目的機器，用一種純潔、精確的語(yǔ)言講述一個(gè)非凡的故事：滴答，滴答，滴答。作者：Ewen Levick *博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
