量子传感突破：实现最小尺寸的光学晶格原子钟

光子盒研究院出品

在英国国防科学技术实验室（Dstl）合作及资助下，伯明翰大学领导的英国量子传感器和计时技术中心设计了量子传感器的新技术：不仅减小了时钟尺寸，还使其具有足够的鲁棒性，可以带出实验室并在“现实世界”中使用。这是迄今为止光学晶格原子钟最小的封装。相关研究成果发表在《量子科学与技术》期刊上。

本工作中的光学晶格原子钟是迄今为止封装最小的

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量子时钟：应用广泛，但不便携

量子/原子钟被广泛认为是越来越精确的全球在线通信、导航或全球股票交易系统等领域必不可少的：这些领域中，几分之一秒就可以产生巨大的经济差异。具有光学时钟频率的原子钟可以比微波钟精确10000倍，从而开辟了重新定义标准（SI）测量单位的可能性。

甚至更先进的光学时钟有朝一日可以在日常生活和基础科学中产生重大影响。通过提供比其他类型的时钟更长的时间来重新同步，它们可以为国家计时基础设施提供更高的弹性，并解锁自动驾驶汽车的未来定位和导航应用。这些时钟无与伦比的精度也可以帮助我们构建超越标准的物理学模型，了解宇宙中最神秘的一些方面（包括暗物质和暗能量）。这样的时钟也将有助于解决基础物理问题，例如基本常数是否真的是“常数”，或者它们是否随着时间而变化。

一旦我们有了一个能够在实验室外使用的系统，我们就可以将它们用于：例如，在地面导航网络上，所有这些时钟都通过光纤连接并相互通信。这样的网络将减少我们对GPS系统的依赖，因为GPS系统有时也会失效。

对此，英国量子技术中心传感器和定时器的首席研究员Yogeshwar Kale博士表示[2]：

“光学时钟的稳定性和精度使它们对未来的许多信息网络和通信至关重要。这些可移动的光学时钟不仅有助于改善大地测量（geodetic measurements，测量地球形状和重力变化等基本属性），而且还能够监测和识别早期阶段地震和火山等地球动力学信号。”

虽然这种量子时钟正在迅速发展，但部署它们的主要障碍是它们的尺寸：目前的时钟大约1500升，需要装在货车或汽车拖车中；以及它们对环境的敏感性也限制了它们在不同地方之间的运输。

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核心技术：紧凑型原子封装（CAP）

位于英国量子技术中心传感器和定时器的伯明翰团队提出了一种解决方案，可以在一个重量不到75公斤的、体积约120升的“盒子”中封装碱土类原子（例如，锶(Sr)和镱(Yb)等），以解决时钟在携带方面的挑战。

时钟的工作原理是使用激光来产生并测量原子中的量子振荡。这些振荡可以高度精确地测量；并且从频率来看，也可以测量时间。这一过程中的主要挑战是尽量减少外部对测量的影响，例如机械振动、电磁干扰。为此，测量必须在真空中进行，并且外部干扰需要降至最小。

（左）典型光学时钟的基本构建模块。振荡器（腔体锁定窄线宽时钟激光器）通过询问“基准”（reference，超冷捕获原子/离子集）并使用适当的反馈机制来调谐到所需的时钟频率。校正后的光学频率梳计数，并向下转换为相应的射频（RF）信号，用于各种实际应用。对于这样的时钟，拥有准确稳定的原子/离子频率基准至关重要，因此原子封装是核心。（右）相关能级图和锶原子中的能级跃迁。

考虑到可移动性是现场可部署量子传感器的关键标准，紧凑型原子封装（CAP）的设计和开发使其可以轻松从一个地方运输到另一个地方，并快速调节到运行状态。其鲁棒的设计本质上是模块化：包括必要的子模块，和紧凑型超高真空（UHV）组件。新设计的核心是一个超高真空室——它比量子计时领域使用的任何真空室都要小。该腔室可用于捕获原子，然后将其冷却到非常接近“绝对零度”的温度，以便它们达到可用于精密量子传感器的状态。

（左）UHV组件的3D渲染图；（右）CAP用于超冷锶原子和简化的CAP模块。

最后，团队证明可以在不到一秒钟的时间内捕获腔体内近16万个超冷原子。此外，他们还展示了可以将系统运输超过200公里，然后将其设置为在90分钟的时间内准备好进行测量。同时，该系统能够在旅途中承受比室温高出8度的温度上升。

Kale博士补充说：

“

我们已经能够展示一个强大而有弹性的系统，可以由一名训练有素的技术人员快速运输和设置。这使我们更接近于这些高精度量子仪器在实验室环境之外的挑战性环境中使用。

”

CAP中的实验时序（晶格始终保持不变）。CAP可以加载高达1.7×10⁷个原子进入第一级冷却；大约1.1×10⁷个原子被加载到蓝色磁光阱（MOT）中，温度T≈3mK；单频红色MOT中，近1.6×10⁵个原子成功加载到温度为≈110μK的1D晶格；将晶格温度进一步降低到约22μK，CAP仍然能够捕获≈2.9×10⁴个原子。

运输前的准备阶段：（a）由防静电包装保护的CAP放置在运输箱内（数据记录器及其移动电源安装在CAP的顶部）；（b）带有CAP的箱子位于面包车的后部，用于短距离运输场景。运输阶段：（c）在路程较短的城市交通往返活动，距离覆盖约65.2公里，最高时速100公里/小时；（d）中距离城际运输的代表性路线，距离覆盖约222公里，最高时速104公里/小时。

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光学时钟：国防未来的关键推动技术

此次实验中，团队设计、开发并演示了一个强大的可移动原子封装操作，该封装精通于生产⁸⁸Sr超冷原子。同时，这也是迄今为止光学晶格时钟的最小尺寸：重复时间<1s时，系统能够产生约1.6×10⁵个一维光学晶格的超冷原子。

此外，团队还展示了运输和重启过程，以证明封装技术适用于现场可部署的应用程序，未来，可以很容易地修改CAP、保持整体功能和操作不变的同时将其用于费米子⁸⁷Sr原子同位素。

针对这一成就，Dstl表示：

“Dstl认为光学时钟技术是国防部未来能力的关键推动因素。这类时钟有可能通过提高国家基础设施的弹性并改变通信和传感器网络的设计方式来塑造未来。在Dstl的支持下，伯明翰大学在微型化光学晶格时钟的许多子系统方面取得了重大进展，并在此过程中克服了许多重大的工程挑战。我们期待看到他们在这个令人兴奋和快速发展的领域取得进一步的进展。”

未来，这种基于超冷锶原子的独立封装可以构成光学晶格时钟以及实验室外环境中的大型动量原子干涉仪的基础，将是实现高带宽量子导航系统的关键一步。

参考链接：

[1]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ac7b40

[2]https://www.birmingham.ac.uk/news/2022/next-generation-atomic-clocks-are-a-step-closer-to-real-world-applications

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