300亿年误差不到1秒的“钟”丨开讲啦

提起量子力学，很多人的第一印象是神秘、高深、遥不可及，不少人对这门硬核科学充满好奇。很多人以为量子科技只存在于实验室的精密仪器中，但事实上，量子科技早已走出学术殿堂，落地于日常生活，比如一直陪伴我们的“时间”。

自古以来，人类从未停止对时间的丈量。古人依托日晷观测日影计时，近代确立“铯原子秒”作为全球统一时间基准。科学上的“1秒钟”究竟是如何精准测量的？近乎无限精准的标准时间，在航天、导航、基础物理研究中发挥着怎样不可替代的作用？《开讲啦》邀请中国科学技术大学教授、物理学院执行院长陈宇翱，深度解读量子力学与时间计量背后的科学奥秘。

“1秒钟”到底是多长?

“1秒钟”是多长？它的定义其实浓缩了人类认知世界的过程。在古代，人们通过观察日升月落，把一天分成12个时辰，后来又细化为24小时、1440分钟、86400秒，那时候的1秒是地球自转一周的1/86400。但随着科学进步，人们发现地球自转并不均匀，潮汐、地壳运动都会让这个“钟摆”忽快忽慢。

到了20世纪，科学家发现：原子在两个特定能级之间跃迁时，会对应一个频率极其稳定的信号。1967年的“铯原子秒”，用的是铯原子的一段微波信号——把它想象成钟摆，振动约92亿次就是1秒；我们的手机、导航系统里的时间，至今都以它为标准。陈宇翱介绍，如今的锶光钟更进一步：电子在能级间跃迁时直接发出频率高得多的光，“摆动”快了近10万倍，秒也就量得更准。

小知识

1967年，第十三届国际计量大会将“秒”定义为：铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。

300亿年误差不到1秒的“钟”长啥样？

“整个实验室，你都可以把它当成一个钟。”

当镜头跟随陈宇翱走进光晶格钟实验室，眼前的景象恐怕会颠覆所有人对“钟”的认知——没有表盘，没有指针，取而代之的是密密麻麻的激光器、真空腔体和光学元件。

陈宇翱打了个形象的比喻：家里的鸡蛋。

鸡蛋装在蛋托里，固定原子也要有“蛋托”。光晶格就是科学家用光编织在三维空间里的一个个“蛋托”。同时还有严格的三要素：

原子“蛋托”要处于真空环境；冷却到接近绝对零度(约−273℃)；原子会受到6个方向的激光“看管”，如果它乱跑就会“挨踢”。

正是这样的极致操控，让原子变得“老实”，提供稳定的频率信号。

团队成功把光钟的稳定度和不确定度都推进到了10⁻¹⁹量级。陈宇翱说：“做个类比计算的话，大概就是300亿年也不会偏差1秒钟。”现在，团队正在推进光钟的小型化和工程化，希望它可以搭乘卫星，在远离地球噪声的环境里，探索更多基础的科学问题。

小知识

目前，国际计量大会计划在2030年正式实行新的秒定义。中国光钟的突破，意味着我国已具备参与“重新定义1秒”的技术实力。

生活中，量子力学无处不在

陈宇翱给大家科普了量子力学真正的技术走向：量子保密通信“京沪干线”及国家骨干网已经覆盖了大约1万公里，为银行、金融机构等提供加密服务；量子计算的目标也不是取代电脑，而是解决天气预报、新材料设计、药物研发等经典计算机“算不动”的难题。而上面提到的“1秒钟”也会成为这些领域的助推器。

当被问到个人隐私能否被量子通信保护时，陈宇翱笑着说：“说不定已经被保护了，只是你还不知道。”陈宇翱表示，量子通信主打一个“善战者无赫赫之功”，希望有一天量子技术能保护互联网的每个比特，个人信息泄露、电诈等情况都不会出现，大家无感地享受信息安全。

天才少年的迷茫与选择

年少拿下物理国际奥林匹克竞赛金牌，众多顶尖名校同时向他抛来橄榄枝，头像被印在母校的作业本封面上……陈宇翱是专业领域内公认的天才，但他说自己在大学也曾一度陷入迷茫。直到一次和老师潘建伟深夜长谈4小时，窥见量子世界的无限，才重燃科研热情。

陈宇翱说，潘老师曾发给他的一条短信，内容他一直记在心里。2009年，陈宇翱正在德国深造，潘建伟院士在人民大会堂看完《复兴之路》后给他发消息，盼他早日学成归国效力。短短几句话，让陈宇翱满心激动，他用两年时间吃透了相关技术，如期归国，和潘老师共同打造出世界一流的量子光学实验室。

来源：中央广播电视总台

责任编辑：宋同舟