世界上最精確的藍寶石時鐘

滴答，滴答，滴答，時鐘的節(jié)奏無處不在。但是這些滴答聲完全一致嗎？對于一些重要的應(yīng)用，即使是難以察覺的微小偏差也可能出現(xiàn)問題。

對于這些應(yīng)用，問題即將解決，一種最精準(zhǔn)的時鐘已經(jīng)問世。這種時鐘是安德烈?呂滕（Andre Luiten）在西澳大利亞大學(xué)即將畢業(yè)時完成的。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(yīng)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(yīng)用研究，他現(xiàn)在是光子學(xué)和先進傳感研究所（Institute for Photonics and Advanced Sensings）所長。

這種新時鐘又被稱為藍寶石時鐘，它并不比原子鐘好；它們不一樣。因為準(zhǔn)確度（accuracy）和精確度（precision）是不同的概念：準(zhǔn)確度是時鐘計量真正的1秒時間的準(zhǔn)確程度，現(xiàn)在1秒鐘被定義為銫原子在受控條件下在兩個能態(tài)之間振蕩9 192 631 770次的時間。2013年以來，雖然已經(jīng)建造出了更準(zhǔn)確的原子鐘，但全球仍有400多個基于銫-133原子的原子鐘用于建立民用時間。如果你現(xiàn)在正在智能手機或筆記本電腦上閱讀這篇文章，屏幕邊緣顯示的時間便是由其中一個原子鐘推算出來的。

對于許多應(yīng)用，例如衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，精確度則是至關(guān)重要的。不要誤會，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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院運行的NIST-F2銫鐘非常精確，它運行3億年才會快或慢1秒鐘。

但對某些應(yīng)用來說，精確度比準(zhǔn)確度更重要。精確度不需要完美地劃定一個瞬間，而是要創(chuàng)造非常有規(guī)律的走時或振蕩。想象一下飛鏢游戲。原子鐘能夠?qū)⑺鼈兊乃酗w鏢或振蕩都射在靶心周圍，即使有一個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?qū)⑺酗w鏢都射在鏢靶上完全相同的一位置。換句話說，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，保持電磁振蕩的時間比銫原子束的更長。換言之，他需要一種光譜純度更高、只對極窄頻率作出反應(yīng)的晶體，就像一根低損耗的吉他弦，可以振動很長時間，因此頻率非常統(tǒng)一。

最后的結(jié)果是藍寶石，一種可以在實驗室合成的氧化鋁晶體。當(dāng)冷卻至-267攝氏度（6開爾文）并進行振蕩時，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(dǎo)體，所以會產(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(xiàn)的最大的天然藍寶石大致相同?！眳坞f，“我們注入微波，它們會自然地圍繞藍寶石的圓周傳播。”

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，如聲波一樣沿著曲面?zhèn)鞑??！爱?dāng)你在倫敦圣保羅教堂輕聲說話時，聲音會傳遍教堂四周?！眳坞f，“我們使用的是同一個概念，只不過只用一組特定的頻率?！?br />
為了與藍寶石的自然共振頻率（即每次振蕩之后，“耳語”聲波會得到增強的那一點）相匹配，呂滕和他在阿德萊德的同事調(diào)整了溫度，以利用晶體中的雜質(zhì)?！八{寶石的結(jié)構(gòu)很堅固，當(dāng)受到外力作用時，它仍然以相同的頻率回應(yīng)。”

遺憾的是，藍寶石的卓越性能只在接近絕對零度時才表現(xiàn)出來。因此我們必須找到某種方法來保持晶體處于超冷狀態(tài)。20世紀90年代初，當(dāng)呂滕還在攻讀博士學(xué)位時，他把藍寶石放在了一個巨大的保溫瓶底部，然后裝滿液氦。但是每隔六七天，這種液體就會完全蒸發(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(wěn)定。然而，隨高壓脈沖到達的氣體會導(dǎo)致溫度的波動和藍寶石的振動，從而降低它的計時能力。呂滕的同事約翰?哈萊特（John Hartnett）提出減少冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的振動的方法，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良好的熱連接，且能阻止振動通過。”呂滕說。

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。下一個挑戰(zhàn)是把藍寶石時鐘帶到外面的世界。“振蕩器是一種瘋狂的科學(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。

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(xiàn)在都是這家公司的負責(zé)人。事實證明，他們的工作還遠遠沒有完成，因為時鐘有兩個問題：第一，時鐘的尺寸與一個小冰箱大致相當(dāng)，對許多應(yīng)用來說太大了；第二，價格昂貴，雖然該公司沒有說明有多貴。盡管存在這些問題，但在澳大利亞，有一個組織既需要無與倫比的精確度，又有錢來支付：這就是澳大利亞皇家空軍（RAAF）。

為了監(jiān)測澳大利亞廣闊且人口稀少的北部海岸外的非法捕魚和其他活動，澳大利亞皇家空軍在澳大利亞BAE系統(tǒng)公司的支持下運行著一個超視距雷達系統(tǒng)，被稱為“金達利作戰(zhàn)雷達網(wǎng)”（JORN）。JORN使用了3個發(fā)射和接收站點，為了防止干擾，每臺發(fā)射器和接收器之間相隔約100公里。

發(fā)射站發(fā)出被電離層折射的高頻信號，接收器監(jiān)聽船只和飛行器產(chǎn)生的回波?！癑ORN可以看到3 000公里外?！盉AE的前項目負責(zé)人史蒂夫?溫德（Steve Wynd）解釋道，“但因為我們要向上發(fā)射這些信號并折射回來，所以它的最小范圍約為1 000公里?！?br />
接收站包括480對天線，沿紅色沙漠分兩行平行排列，每一行長3公里。它們依賴多普勒效應(yīng)——向雷達移動的物體返回的回波頻率比遠離雷達移動的物體要高，也就是說，信號會發(fā)生相移。

“我們將信號傳播出去，如果目標(biāo)向我們移動或遠離我們，我們就會看到多普勒頻移。隨著時間的推移，我們能夠利用目標(biāo)的方向和速度來形成目標(biāo)軌跡?！睖氐抡f。

信號從電離層折射回來使雷達能夠看到地平線上的情況，但電離層的運動會導(dǎo)致信號發(fā)生變化，地球表面的反射也會變化。地球表面的雷達橫截面很大，大約是目標(biāo)橫截面的100萬倍，會造成目標(biāo)識別困難。

“我們面臨的挑戰(zhàn)之一是從背景雜波中分解出目標(biāo)?！睖氐抡f，“如果雜波太強，信號就會消失。”

這就是精確時鐘真正發(fā)揮作用的地方。輸出信號的頻率受基準(zhǔn)時鐘走時的控制，目前基準(zhǔn)時鐘是一個基于石英的振蕩器。如果這些走時不是很精確，那么輸出信號的頻率就會變得不精確，這就更難測量到回波的變化。此外，如果發(fā)射站和接收站的時鐘走時不同步，那么整個系統(tǒng)將無法準(zhǔn)確地測量出目標(biāo)的距離。

在這兩種情況下，雷達產(chǎn)生的圖像都比較嘈雜，這意味著目標(biāo)移動會變小或變慢，甚至變得難以分辨。另一方面，穩(wěn)定的傳輸頻率和更好的同步可實現(xiàn)更精確的相移測量，意味著JORN能夠更好地從雜波中分離出系統(tǒng)感興趣的目標(biāo)。

澳大利亞軍方稱，藍寶石時鐘是一次“巨大的飛躍”，對于移動緩慢，即不穩(wěn)定目標(biāo)的圖片，其清晰度比石英振蕩器提高了3個數(shù)量級。石英晶體結(jié)構(gòu)不同，會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，低溫要求是一個缺點，但結(jié)果不言而喻?！斑@個差別就好比是15年前的等離子電視與現(xiàn)在的超高清電視一樣?！睖氐聫娬{(diào)說，“這個時鐘能產(chǎn)生更清晰的圖像?！?br />


然而，JORN接收站的龐大規(guī)模產(chǎn)生了另一個問題?；夭▉碜圆煌慕嵌?，導(dǎo)致它們到達天線對的時間略有不同。

“我們有一個3公里長的陣列，而且物理位置上是固定的?！睖氐抡f，“如果目標(biāo)位于左側(cè)30度，那么波前到達左側(cè)天線對的時間將略早于下一對，諸如此類。”

為了彌補這一時間差，我們用波到達每個天線對精確時刻的快照對回波信號進行重建。實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，藍寶石時鐘的走時使JORN能夠為每張快照進行更精確的定時?！拔覀儷@取每個天線讀數(shù)的時間稍有不同?！睖氐抡f，“時鐘源及其時鐘分配的精確度越高，雷達分辨目標(biāo)的能力就越強。”

藍寶石時鐘的潛力顯而易見。澳大利亞軍方資助了兩個時鐘原型的制造，并將它們運到昆士蘭進行試驗。然后，研究小組發(fā)現(xiàn)，使用世界上最精確的時鐘存在一個問題：你怎么知道它是否正常工作？ 因為這個時鐘比任何其他計時器的精確度都要高3個數(shù)量級，所以很難測量它是不是在正常工作。

幸運的是，有兩個這樣的時鐘，“我們可以用一個比較另一個。”溫德解釋道。 這兩個時鐘在雷達站停留了8周，作為JORN的一部分進行互相比較測試。雖然這項技術(shù)尚未能成為雷達的永久部件，但這個系統(tǒng)集成計劃正在進行?！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。”溫德解釋說，“這種工程設(shè)計方法與原型設(shè)計是不同的?！?一位澳大利亞軍方發(fā)言人說：“如果進展令人滿意，我們有意將低溫藍寶石振蕩器納入JORN?！?br />
量子計算是藍寶石時鐘的另一個應(yīng)用，因為它也需要非常精確的計時。首先，我們簡要回顧一下這個理論：傳統(tǒng)的計算機芯片切換開關(guān)電流，產(chǎn)生一個二進制信息位，用0或1來表示。而量子計算機則依賴于量子位——存在于復(fù)雜疊加狀態(tài)的原子粒子，經(jīng)常被描述為（也許簡單地說）同時具有一個0和一個1。其效果是大大增加了一個量子位系統(tǒng)可以編碼和處理的信息量。量子計算機的潛在性能隨著量子位數(shù)量的增加呈指數(shù)增長。

然而，量子位的問題是不穩(wěn)定，容易出錯。如果外部條件發(fā)生變化，比如外加電磁場，性能會受到極大的影響?！斑@種退化是一個重要的限制因素?！毕つ岽髮W(xué)量子控制實驗室主任邁克爾?比約克（Michael Biercuk）解釋道，他同時也是初創(chuàng)企業(yè)Q-CTRL的創(chuàng)始人，“這是這個領(lǐng)域的致命弱點?！?br />
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，“隨著量子硬件越來越好，我們不得不開始擔(dān)心如何用主時鐘同步所有正在運行的設(shè)備?！?br />
主時鐘的走時有助于同步微波與量子位的自然頻率相匹配，從而調(diào)諧微波來操控量子位。不穩(wěn)定的時鐘可以改變微波的頻率，產(chǎn)生與量子位本身的不穩(wěn)定性相同的錯誤。 “為了有一個好的復(fù)合系統(tǒng)——主時鐘加上量子位，我們需要一個穩(wěn)定的微波源?！北燃s克說，“這就是藍寶石時鐘為我們提供的東西?！?br />
2018年，量子控制實驗室購買了一個藍寶石時鐘，并且正在用它來制造更健壯、更穩(wěn)定的量子計算機。初步結(jié)果表明，使用藍寶石時鐘后，量子位的有效壽命比現(xiàn)有方案延長了9倍。

“藍寶石時鐘提供了一個純凈的起始頻率，我們可以調(diào)制執(zhí)行量子邏輯運算，對其他誤差源具有魯棒性。”比約克說，“將這個系統(tǒng)與原子（鐘）基準(zhǔn)結(jié)合起來，不僅可以提供絕對頻率測量，還可以提供積年累月的長期穩(wěn)定性?！?br />
如果藍寶石時鐘能夠幫助量子計算機實用化，它將間接推動藥物研究和密碼學(xué)的發(fā)展。許多早期的藥物研發(fā)使用計算機來模擬或分析致病機理背景的分子。與傳統(tǒng)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(xiàn)在需要幾個世紀才能破解的加密算法，使我們數(shù)字生活的各方面都變得更易受到攻擊。

當(dāng)然，前方依然存在大量挑戰(zhàn)。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(shè)計這個裝置，在不增加額外損耗的情況下，通過提高晶體中磁性雜質(zhì)的濃度，使其能夠工作在50開爾文。雖然液氮達不到這個溫度，但這已比6開爾文容易實現(xiàn)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專利，并吸引了航空和通信行業(yè)的興趣。據(jù)說，他們正在準(zhǔn)備一份重要的合同。

“有人有興趣把這種時鐘用在飛機上，我們也希望有機會應(yīng)用在5G通信系統(tǒng)中?！眳坞f。

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。他們長時間攀登的結(jié)果可能很快會變成一個常見情景，一部安靜、不引人注目的機器，用一種純潔、精確的語言講述一個非凡的故事：滴答，滴答，滴答。

審核編輯：劉清