精确度方面，蓝宝石时钟甚至胜过最好的原子钟

滴答，滴答，滴答。时钟的节奏是普遍的。但是这些扁虱到底有多相似呢?对于一些重要的应用程序，即使是微小的偏差也可能是一个问题。

对于这些应用程序，帮助即将到来，以目前最精确的时钟的形式出现。开发的安德烈Luiten当他在完成学业时西澳大利亚大学在美国，它是围绕一块很小、极冷的蓝宝石水晶建造的。Luiten称之为低温蓝宝石振荡器，它可以支持军事雷达和量子计算等各种技术。他和他的同事正在研究这些应用阿德莱德大学他现在在澳大利亚担任光子学和高级传感研究所所长。

这种新的时钟——也被称为蓝宝石时钟——并不比老式时钟好多少原子钟；这是不一样的。这是因为精度和精度是不同的东西:精度是指一个时钟能测量一秒的准确程度，现在定义为铯原子在受控条件下在两种能量状态之间振荡所需的时间，正好是9,192,631,770次。自2013年以来,更准确人们已经建造了各种各样的原子钟，但全球仍有400多个基于铯-133原子的原子钟被用于创造民用时间。如果你是在智能手机或笔记本电脑上阅读这篇文章，那么屏幕边缘显示的时间就是来自其中一个原子钟。

对于许多应用，例如基于卫星的全球定位系统，精度是至关重要的。毫无疑问，即使是铯原子钟也非常精确。NIST-F2铯钟由美国国家标准与技术研究院科罗拉多州博尔德市的调查结果是如此准确，以至于它必须跑到3亿年赢得或失去一秒钟。

但对于某些应用，精度不如精度重要。精度与描绘完美的一秒无关，而是与创造极其规则的滴答声或振荡有关。想象一场飞镖游戏。原子钟能够将所有的飞镖或振荡都围绕靶心着陆，从而使平均位置正对目标，即使任何给定的飞镖可能离死点有一两厘米远。Luiten的设备并不瞄准靶心:相反，它能够将所有的飞镖都瞄准靶心完全圆靶上的同一点。换句话说，每一只蜱虫都是真的，真的，真的就像另一个。

为了达到非常高的精度，Luiten需要找到一种能比铯原子束更持久地维持电磁振荡的材料。换句话说，他需要一种光谱纯度更高的晶体，这种晶体只会对极窄的频率范围作出反应，就像低损耗的吉他弦可以振动极长时间，因此频率非常纯。

工程师Ka Wu(中，左)和Fred Baynes将蓝宝石水晶放入一个金属室(上)，然后将其包裹在一个低温冷却器中，并将其放入真空罐中。结果:一个低温蓝宝石时钟。布伦特列文/回家的

原来那是蓝宝石，一种可以在实验室合成的氧化铝晶体。当冷却到-267°C(6开尔文)并使其振荡时，这种晶体的对称性使其损失更少的能量比任何已知材料都要多．这种特性使蓝宝石成为传播电磁辐射的理想表面。钻石也行，但超大的超纯样品价格昂贵。硅很便宜，但因为它是半导体，所以会产生很大的电损耗。

Luiten说:“我们使用了一块圆柱形的蓝宝石，其大小与迄今为止发现的最大天然蓝宝石大致相同。”“我们注入微波，它们自然地围绕蓝宝石的圆周传播。”

微波以与蓝宝石自然共振相同的频率注入，使它们在晶体的外表面产生波纹，就像声波沿着弯曲的墙壁传播一样。“当你在伦敦圣保罗大教堂窃窃私语时，声音会绕着大教堂的整个圆周传播，”Luiten说。“我们使用的是同样的想法，只是只有一组特定的频率有效。”

为了使频率与蓝宝石的自然共振相匹配——也就是每次振动后“低语”波增强的点——luiten和他在阿德莱德的同事们利用晶体中的杂质调节温度。“蓝宝石在结构上很坚固，所以当受到外力时，它仍然会以相同的频率发出响声，”Luiten指出。

不幸的是，蓝宝石的非凡性能只有在接近绝对零度时才显现出来。所以必须找到某种方法来保持晶体的超低温。在20世纪90年代初，当Luiten正在攻读博士学位时，他会把蓝宝石放在一个巨大的保温瓶的底部，并将其充满液氦。但每隔六七天，液体就会蒸发掉，他和他的同事们必须再次将其注满。

Luiten决定将蓝宝石安装在低温冰箱中，低温冰箱使用氦气来保持水晶的低温和稳定。然而，气体以高压脉冲的形式到达，导致温度波动，蓝宝石抖动，从而降低了它保持时间的能力。Luiten的同事约翰·哈特尼特首创了减少冷却系统产生的振动的方法，使用金属隔离技术和一小池液态氦代替气态氦。

“液氦使我们在蓝宝石和冰箱之间建立了良好的热连接，但防止了振动，”Luiten说。

低温蓝宝石振荡器终于成型了，哈特内特的工作在2010年获得了IEEE的荣誉W. G. Cady奖．下一个挑战是把蓝宝石钟带到外面的世界。“振荡器是一种疯狂的科学工具，可以做这些惊人的测试，但它的用途仅限于此，”Luiten说。

Luiten和Hartnett将这项技术剥离出来，成立了一家名为QuantX Labs的公司，他们现在都是该公司的负责人。事实证明，他们还远远没有完成，因为这个时钟有两个问题:第一，它和一个小冰箱差不多大，对于许多应用来说太大了。第二，它很贵，尽管该公司不愿透露有多贵。尽管存在这些问题，但澳大利亚有一个组织既需要无与伦比的精度，又有钱支付:澳大利亚皇家空军(RAAF)。

为了监视澳大利亚广袤而人烟稀少的北部海岸的非法捕鱼或其他活动，澳大利亚皇家空军(RAAF)运行了一种超视距雷达系统金达里作战雷达网(JORN)的支持澳大利亚BAE系统公司．家的使用三个发射和接收站点，每个发射机与接收机之间相隔约100公里(62英里)，以防止干扰。

发射台折射来自电离层的高频信号，而接收器则监听船只和飞机产生的回声。“JORN的视野可达3000公里，”BAE前项目负责人史蒂夫·温德解释道。“但因为我们要上升，并将这些传输信号折射回来，所以它的最小射程约为1000公里。”

接收站由480对天线组成，沿着红色沙漠的沙子排成两条平行线，每条线长3公里。它们依赖于多普勒效应，即向雷达移动的物体比远离雷达的物体返回更高频率的回波，也就是说，信号经历了相移。

在阿德莱德的一个实验室里，一个频率计数器正在显示一个低温时钟的读数。布伦特列文/回家的

“我们将信号传播出去，如果目标朝我们移动或远离我们，我们就会看到多普勒频移。随着时间的推移，我们能够开发目标方向和速度，以开发目标轨道，”Wynd说。

信号在电离层上的折射使雷达能够看到地平线以上的地方，但电离层的运动会引起信号的变化，就像来自地球表面的反射一样。地球表面的雷达横截面可以很大，大约是目标横截面的一百万倍。这种巨大的空间会使目标难以识别。

温德说:“我们面临的挑战之一是从杂乱的背景中分辨出目标。“如果杂波太大，信号就会消失。”

这就是精确的时机至关重要的地方。输出信号的频率是通过参考时钟的刻度来控制的，目前是基于石英的振荡器。如果这些滴答声不是很精确，那么发出的信号就会变得不规则，更难测量返回回声的变化。此外，如果发射站和接收站时钟的滴答声不同步，那么整个系统就会不准确地测量到目标的距离。

在这两种情况下，雷达产生的图像都比较嘈杂，这意味着较小或较慢的目标会移动，甚至变得难以分辨。另一方面，稳定的传输频率和更好的同步可以更精确地测量相移，这意味着JORN可以更好地从杂波中分离目标。

根据澳大利亚军方的说法，蓝宝石时钟是一个“巨大的飞跃”，它提供的缓慢移动或不稳定目标的图像比石英振荡器所能实现的清晰三个数量级。这是由于石英的晶体结构不同，导致谐振频率定义不明确，因此石英振荡器输出信号的光谱纯度较低。蓝宝石对振动也不那么敏感，而且比钻石等其他矿物晶体更容易获得超纯形式。虽然与石英相比，低温要求是一个缺点，但结果不言自明。温德坚称:“这就是15年前的等离子电视和现在超高清电视的区别。”“这个时钟能产生更清晰的图像。”

然而，JORN接收站的庞大规模又带来了另一个问题。返回的波来自不同的角度，导致它们撞击天线对的时间略有不同。

“我们有一个3公里长的物理锁定阵列，”温德说。“如果目标在左侧30度，波前将会比下一个更早地击中左侧天线对，以此类推。”

为了进行补偿，返回的信号是用每个天线对在波撞击的精确时刻拍摄的快照来重建的。实际上，操作人员通过电子方式控制雷达朝向回波的方向。蓝宝石时钟的滴答声允许JORN以比石英振荡器更高的精度为每个快照计时。温德说:“我们从每个天线上读取的时间略有不同。”“定时源及其分布的精度越高，雷达识别目标的能力就越强。”

蓝宝石时钟的潜力是显而易见的。澳大利亚军方出资生产了两个时钟原型，并将它们空运到昆士兰进行试验。然后，该团队发现了使用世界上最精确的时钟的一个问题:你怎么知道它是否在工作?

因为这个时钟比其他任何钟表都要精确三个数量级，所以很难测量它是否工作正常。幸运的是，有了其中的两个，“我们可以将其中一个与另一个进行比较，”温德解释道。

这些时钟在雷达站停留了8周，互相进行测试，并作为JORN的一部分。尽管该技术还不是雷达的永久组成部分，但将其整合到系统中的计划正在有条不紊地进行中。Wynd解释说:“科学是可行的，但JORN在可用性和可支持性方面有性能要求。“这种工程方法不同于设计原型。”

电线(顶部)和电路(中间)构成了冷冻时钟系统合成器模块的一部分。其中一个信号显示在屏幕上(底部)。布伦特列文/回家的

一位澳大利亚军方发言人说:“如果取得令人满意的进展，低温蓝宝石振荡器将过渡到JORN。”

量子计算蓝宝石时钟的另一个应用，因为它也需要非常精确的计时。首先，快速回顾一下理论:传统的计算机芯片通过开关电流来生成二进制位信息，用0或1表示。另一方面，量子计算机依赖于量子比特-以复杂叠加态存在的原子粒子，常被描述为(也许简单地)表示同时是0和1。其效果是大大增加了量子比特系统可以编码和处理的信息量。量子计算机的潜在性能随着量子比特的数量呈指数级增长。

然而，量子比特的问题在于它们不稳定，因此容易出错。如果外部条件发生变化，比如由于施加的电磁场，性能就会受到极大的影响。“这种退化是一个重要的限制因素，”解释说Michael Biercuk他是悉尼大学的主任量子控制实验室以及这家初创公司的创始人Q-CTRL．“这是该领域的阿喀琉斯之踵。”

很多人都在努力创造更好的硬件来阻止外部世界并保护量子比特，但这还不够。Biercuk解释说:“不仅仅是外部世界会把你搞得一团糟。“随着量子硬件越来越好，我们不得不开始担心用于同步所有设备的主时钟是如何运行的。”

主时钟的滴答声帮助同步微波，使微波与量子比特的固有频率相匹配，从而调谐微波来操纵量子比特。不稳定的时钟会改变微波的频率，这可能会导致与量子比特本身的不稳定性难以区分的错误。

Biercuk说:“为了有一个好的复合系统——主时钟加上量子比特——我们需要一个稳定的微波源。”“这就是蓝宝石时钟为我们带来的东西。”

量子控制实验室在2018年购买了一个蓝宝石时钟，并使用它来创建更强大和稳定的量子计算机。初步结果表明，使用蓝宝石时钟，量子位的使用寿命比现有替代品延长了9倍。

Biercuk说:“蓝宝石时钟提供了一个纯粹的起始频率，我们可以对其进行调制，以实现对其他错误源具有鲁棒性的量子逻辑操作。”“将该系统与原子钟参考相结合，不仅可以提供绝对频率测量，而且还可以提供数月或数年的出色长期稳定性。”

蓝宝石时钟技术极大地提高了位于昆士兰州Longreach的Jindalee作战雷达网络(JORN)的超视距覆盖范围。站在天线中间的是(从左到右)Fred Baynes, Andre Luiten, Martin O'Connor和Waddah Al-Ashwal。QuantX实验室

蓝宝石时钟有助于量子计算机的实用化，这将间接地取得进展医药研究而且密码学．许多早期的药物研究和开发使用计算机来模拟或分析疾病机制中的分子。量子计算机可以模拟和比较比传统计算机大得多的分子。在密码学中，量子方法可以破解现在需要几个世纪才能破解的加密算法，使我们数字生活的几乎每个部分都变得脆弱。

当然，巨大的挑战依然存在。例如，如果研究人员能找到一种方法，既缩小蓝宝石外壳的尺寸，又降低成本，那就太好了。该团队正在重新设计该装置，通过增加晶体中磁性杂质的浓度而不引入额外的损耗，使其在50 K下工作。这是液氮无法达到的温度，但比6k容易得多。这将使冷却器更便宜，耗电量更少，而且体积也小得多。

该团队已经为这一突破提交了临时专利，并已经吸引了航空和电信行业的兴趣。据报道，一项重大合同正在筹备中。

Luiten说:“人们对在飞机上安装时钟很感兴趣，我们希望在5G电信系统中有机会。”

如果成功，Luiten和他的团队将离攀登和测量科学珠穆朗玛峰又近了一步。他们漫长攀登的结果可能很快就会成为一道常见的风景，一台安静而不引人注目的机器，用纯净、精确的语言讲述着一个非凡的故事:滴答，滴答，滴答．

本文发表在2021年7月的印刷版上，题为“世界上最精确的计时员”。