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时频专家解读诺贝尔物理学奖与光钟研究

行业上下游中国仪表网2012年10月29日 13:40人气:22457

  10月上旬,2012年度诺贝尔物理学奖的获奖者名单在备受瞩目中揭晓,此前呼声最高的“上帝粒子”的发现者意外出局。获奖者为法国科学家塞尔日•阿罗什(SergeHaroche)与美国科学家大卫•维因兰德(DavidJ.Winland)。二人奖项的原因是他们“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”。
  
  提高人类对量子世界的操控能力
  
  塞尔日•阿罗什、大卫•维因兰德,对大多数人来说这两个完全陌生的名字,其实“在业内名气很大”,中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)时间频率所所长方占军研究员在采访伊始就告诉记者。
  
  塞尔日•阿罗什和大卫•维因兰德研究小组分别发明并拓展出巧妙的实验方法,在不影响粒子量子力学性质的情况下,成功地实现对量子系统的测量和操控。他们的突破性研究,让原本神秘的量子世界不再“与世隔绝”,并使得量子光学的研究向应用发展。
  
  此次获奖者之一的大卫•维因兰德是美国国家标准与技术研究院(NIST)(以下简称“美国标准技术研究院”)物理实验室与科罗拉多大学的物理学家。对于此次维因兰德获得诺贝尔物理学奖,作为计量界同行的中国计量院李天初院士和方占军研究员都丝毫不觉得意外,“他在时间频率计量界享有盛名,早在上世纪90年代,他获诺贝尔奖的呼声就很高。”此次可谓实至名归。
  
  中国计量院时间频率所目前承担着铯原子喷泉钟和激光冷却锶原子光晶格钟的研制,及参与国际原子时协作,产生中国计量院世界协调时等工作,与维因兰德团队所属的美国标准技术研究院时间频率处在工作中交流频繁。虽然与维因兰德本人不是很熟悉,但李天初和方占军对其研究内容了如指掌。
  
  维因兰德主要工作在原子、分子、光物理研究领域,特别是用激光来冷却囚禁在保罗阱(Paultrap)的离子,用囚禁离子的概念来实现量子计算机的量子门。
  
  除了世界各地媒体报道所冠以的“离子阱量子计算实验奠基者”的头衔,维因兰德还被李天初赞誉为“离子存储光钟的鼻祖”,并将其主要成就总结为两个方面:一是实验开创了基于离子阱的量子计算技术,为量子通讯和新一代超级量子计算机的诞生提供了可能;二是在离子存储光钟方面的贡献。
  
  维因兰德在师从1989年诺贝尔物理学奖获得者诺曼·拉姆齐(NormanF.Ramsey)期间,曾与拉姆齐共同提出过原子钟的分离振荡场法等,也是最早提出利用激光冷却离子,利用离子阱囚禁离子的科学家之一。作为美国标准技术院离子存储团队的带头人,1978年维因兰德全球首次提出了“离子光钟”的概念,他的团队还研制出了至今为止最准确的光钟——铝离子光钟。
  
  极端精准,光钟有望成为未来新型时间标准
  
  现行的时间单位“秒”是以铯原子在微波波段上的跃迁为基础定义的。中国计量院李天初院士团队先后研制的两型铯原子喷泉钟是中国复现秒定义的基准装置,准确度相当于1500万年不差一秒。而光钟是利用原子在光波波段的跃迁来定义时间/频率标准的。由于光学频率比微波频率高4到5个数量级。因此在相同其他条件下,光钟的准确度将优于微波钟,预期可超越目前最精准的铯原子钟好几百倍。
  
  方占军介绍说,光钟可以分为原子光钟和离子光钟两种类型。引领原子光钟研究的主要是日本的东京大学和美国的实验天体物理实验室(JILA)。引领离子光钟研究的是美国标准技术院,维因兰德带领的团队率先研制了汞离子光钟和铝离子光钟。其中铝离子光钟,在2008年的不确定度已达到8.5×10-18,相当于三十七亿年不差一秒。
  
  “中国光钟”奋起直追,争夺时间定义话语权
  
  相对于美国、日本、法国、德国、英国等处于一流研究水准的国家,我国还处于跟踪研究阶段,光钟研制工作起步较晚,而且基础薄弱。特别是在项目开始阶段,缺乏一手的研究资料和经验,很多数据都依靠国外的相关参考文献才能获得。
  
  但目前,我国已有多家单位都在从事光钟研制工作,并也取得了一些重要成果。李天初介绍说,据不完全统计,目前,中国计量院、清华大学、中科院武汉物数所、华东师范大学,中科院国家授时中心等9家单位在研的光钟有13种共14台,我国已成为世界上研制光钟种类、台数和家数最多的国家。
  
  其中,2012年7月,中科院武汉物理与数学研究所高克林研究员领导的研究组成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”,并被国际计量委员会时间频率咨询委员会(CCTF)采纳参与国际推荐值的计算,这是中国光学频率标准的频率测量值第一次对国际推荐值作出贡献。
  
  此外,中国计量院在研的锶原子光晶格钟和华东师范大学在研的镱原子光晶格光钟等都已取得了良好进展。
  
  2012年,方占军的研究团队迈出了关键的一步——获得了光晶格钟囚禁的锶88原子的边带可分辨中跃迁谱线,并有望能在2015年第20届CCTF会议之前实现锶87原子光晶格钟的闭环所定,在应对世界时间标准的重新定义中为我国争得更多话语权。(刘旭红)
  
  链接:与光钟直接相关的诺贝尔物理学奖
  
  1944年诺贝尔物理学奖——奠定了原子钟的理论和实验基础
  
  美国科学家拉比(IsidorIsaacRabi)因发现测定原子核磁性的共振方法即著名的核磁共振方法,而被授予1944年诺贝尔物理学奖。这一成果与原子钟的研制有着重要的直接关联,为包括光钟在内的原子钟奠定了理论和实验基础。
  
  1989年诺贝尔物理学奖——将原子钟的精确程度提高到前所未有程度
  
  美国物理学家诺曼·拉姆齐(NormanF.Ramsey)发明了分离振荡场方法并将其用于氢微波激射器及其它原子钟,而获得1989年诺贝尔物理学奖。拉姆齐创造性地发展了精确的计量方法,将原子钟的鉴频特性改善了几十倍,精确度达到前所未有程度,对光钟和微波钟都有巨大的影响。
  
  1997年诺贝尔物理学奖——激光冷却和囚禁原子
  
  美国斯坦福大学华裔科学家朱棣文(StephenChu)、法国巴黎高等师范大学科学家科恩·塔诺季(ClaudeCohen-Tannoudji)、和美国标准技术研究院(NIST)研究员菲利普斯(WilliamD.Phillips)因在用激光冷却并俘获原子方面所作的贡献获得1997年诺贝尔物理学奖。开创了用激光把原子蒸汽冷却的新方法,并把冷却了的原子囚禁在“磁光阱”中,使其以极高的精确度得到研究,并确定内部结构,解决了在原子运动的状态下对原子跃迁频率测量不太准确的问题,被应用于时间频率基准——激光冷却铯原子喷泉钟的建立。
  
  2001年诺贝尔物理学奖——将稀薄原子蒸汽冷却实现玻色爱因斯坦凝聚
  
  2001年诺贝尔物理学奖美国标准与技术研究院(NIST)研究员、JILA实验室研究人员艾里克·科纳尔(EricA.Cornell)、德国科学家沃尔夫冈·凯特纳(WolfgangKetterle、美国(CarlE.Wieman)他们的主要研究工作为原子物理领域中的“稀薄碱金属原子气体的玻色爱因斯坦凝聚态的研究”和“对凝聚态的早期基础研究工作”。
  
  2005年诺贝尔物理学奖——利用飞秒光梳技术,为光钟的“减速”
  
  美国科学家约翰·霍尔(JohnL.Hall)和德国科学家特奥多尔·亨施(TheodorW.H?nsch)因对“超精细激光光谱学包括光学频率梳技术”的贡献而获得2005年诺贝尔物理学奖。该成果使用锁模飞秒脉冲激光器,采用倍频程光谱展宽和自参考技术,实现了光波和微波的相位相干衔接。该成果极大地简化了激光频率的测量工作,从而推动了光钟的研究,也为光钟未来的应用奠定了技术基础。
  
  2012年诺贝尔物理学奖——有望推动成为未来新型时间标准的基础
  
  法国科学家塞尔日•阿罗什(SergeHaroche)与美国科学家大卫•维因兰德(DavidJ.Winland),因“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”获得2012年度诺贝尔物理学奖。他们的突破性的方法,使得建造量子计算机迈出了第一步。同时有望推动极端精准的光钟,成为未来新型时间标准的基础。其中,大卫?维因兰德全球最早提出“离子光钟”概念,并研制出至今最准的光钟。
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