140亿年内偏差不超过1/10秒
根据原子物理学的基本事理，当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会开释电磁波。同一种原子的电磁波特色频率是一定的，可用作一种节拍器来保持高度精确的韶光。
原子钟便是利用保持与原子的电磁波特色频率同步作为产生韶光脉冲的节拍器。
2020年底，《自然》杂志刊载了一篇来自美国麻省理工学院研究职员的成果宣布，这些研究职员利用量子纠缠征象新设计出一种原子钟，如果运行约140亿年（大约是当前宇宙的年事），该原子钟可将韶光精度保持在十分之一秒之内。而在同样的韶光框架内，此前最前辈的原子钟偏差在半秒旁边。
自从人类意识到韶光的流逝，就开始利用周期性征象进行追踪。在古代，人们是不雅观察太阳、玉轮在天空中的运动来判断韶光的运行，随着科学技能发展，人类丈量韶光的手段也越来越前辈。15世纪，依赖钟摆和发条组成擒纵机构出身，成为当代机器钟表的核心，再后来又涌现利用石英周期振动来计时的钟表。到后来，原子钟的涌现成为人类计时史上的一次重大革命，它使得计时标准从天文学的宏不雅观领域转向了物理学的微不雅观领域，历史从此由“天文秒”时期进入“原子秒”时期，开启了人类韶光丈量的崭新阶段。人类对韶光的丈量和追踪正在越来越靠近宇宙的本源。
通过跟踪原子振荡来丈量韶光
生活中常以分秒来计时，在当今太空探测、通信导航、天文不雅观测、工业自动化等领域，越来越须要更精密的韶光丈量。韶光常常被准确到万分之一秒，乃至百万分之一秒。为了达到哀求，许多精密的计时器出身，原子钟便是个中之一。
原子钟是天下上已知最精确的计时仪器，采取了最准确的韶光丈量和频率标准，同时这一标准也被认为是国际韶光和频率转换的基准，广泛运用于掌握电视广播和环球定位系统卫星的旗子暗记通报。原子钟的研发涉及到量子物理学、电学、构造力学等浩瀚学科，目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。
根据原子物理学的基本事理，原子是按照环绕在原子核周围不同电子层的能量差，来接管或开释电磁能量的。当原子从一个“能量态”跃迁至更低的“能量态”时，它便会开释电磁波。这种不连续的电磁波的频率，便是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的——例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。原子钟便是利用激光来丈量原子的共振频率，从而实现精准计时。
如果要追求近乎完美的韶光丈量，原子钟必须去跟踪单个原子的振荡。但是按照量子力学的规律：当被丈量时，原子振荡的行为就像抛一枚***，只有在多次翻转中取均匀值才能给出相对稳定的数值，这被物理学家称为标准量子极限。因此，本日的原子钟被设计用来丈量由成千上万个相同类型的原子组成的气体，以便估算其均匀振荡频率。
只管原子钟的类型有多种，但其背后的事理大致相同。目前最常见的原子钟利用的原子包括氢、铯、铷等碱金属原子。但元素周期表中有100多种元素，为何科学家偏偏对这几种原子情有独钟？
这是由于碱金属原子内部只有一个价电子，理论模型相对多价电子体系较为大略。科学家在长期实验中创造，碱金属原子中铯原子钟又最为稳定，偏差可低至每2000万年1秒的水平。
据理解，铯原子钟利用铯原子束，通过磁场将能级不同的铯原子分离该时钟将高稳定性铯振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技能有机结合在一起，使铯振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟旗子暗记上，提高了频率旗子暗记的长期稳定性和准确度，能够供应铯钟量级的高精度韶光频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。
氢原子钟将氢原子保持在四周由分外材料制成的容器中，从而使氢原子保持所需的能级，而不至于太快失落去其较高的能量状态，但是环境温度变革及微波谐振腔老化会引起其输出频率的变革，从而导致氢原子钟长期性能变差，为了减小这些影响，可借助自动调谐器来确保谐振腔的频率始终事情在所需的频率上，并采取新的温度掌握系统来改进氢原子钟的长期性能。
铷原子钟是所有原子钟中最大略也最紧凑的一种，它利用装有铷气的玻璃腔，铷气在周围的微波频率恰到好处时，就会按照铷原子的振荡频率改变其光接管率。铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率险些没有漂移，性能与铯原子钟附近，而且不存在铯原子钟那样铯束管寿命短须要高本钱改换的问题。
量子纠缠让计时精度 有了大幅提升
那么原子钟是如何出身的呢？
1945年，美国哥伦比亚大学物理学教授伊西多·拉比提出，可以用他在上世纪30年代开拓的原子束磁共振技能制作钟表；1949年，美国国家标准技能研究院（NIST）的前身美国国家标准局公布了天下上第一个利用氨分子作为振动源的原子钟；1952年，NIST宣告了第一个利用铯原子作为振荡源的原子钟NBS-1。
1955年，英国国家物理实验室制造了第一个用作校准源的铯钟。1967年，第十三届度量衡大会基于铯原子的振荡定义了1秒韶光，从那时起环球计时系统抛弃了天文历书时，进入了原子时时代。1968年建成的NBS-4是当时天下上最稳定的铯原子钟，并在上世纪90年代被用作NIST授时系统的一部分。
NIST最新的铯原子钟NIST-F1能够将韶光精度保持在每年约300亿分之一秒，这是NIST建造的一系列铯钟中的第8个，也是NIST第一个以“喷泉”事理事情的铯钟。
常日原子钟是用激光把数千个原子关在一个光学“陷阱”里，然后用另一种频率与被测原子振动频率相似的激光探测它们。
将原子以经典物理学定律不可能的办法关联在一起，使科学家能够更准确地丈量原子的振荡。麻省理工学院的研究小组认为，如果原子被纠缠，它们的单个振荡将在一个共同的频率附近收紧，与不被纠缠比较，偏差较小。因此，原子钟可以丈量的均匀振荡将具有超出标准量子极限的精度。
研究职员纠缠了约350个镱原子，该元素每秒比常规原子钟所利用的铯原子的振荡频率高10万倍。该小组利用标准技能冷却原子并将其捕获，困在由两个反射镜形成的光学腔中。然后，他们通过激光腔发出激光，使其在反射镜之间反射，与原子反复相互浸染并纠缠它们。
通过这种办法，研究职员将原子纠缠在一起，然后利用类似于现有原子钟的另一激光来丈量其振荡的均匀频率。与不纠缠原子的类似实验比较，他们创造带有纠缠原子的原子钟达到了所需精度的4倍。
既有助于解码宇宙又能做事生活
与生活中常见的闹钟、腕表等计时器不同，我们在日常生活中很难一窥原子钟的真面孔。事实上，原子钟既高大上又接地气。说它高大上，是由于它或许能帮助解码宇宙中神秘莫测的旗子暗记；说它接地气，是由于如果没有它的帮助，手机上的导航就会把你带偏不止一点点。
卫星定位系统都是通过得到卫星和用户吸收机之间的间隔来打算的，而间隔即是传播韶光乘以光速，因此精确的间隔丈量实际上便是精确的韶光丈量。没有高精度的时频，卫星导航定位系统就不可能实现高精度的导航与定位。所谓失落之毫“秒”谬以千里，这正是原子钟大显技艺的地方。
由于引力会影响韶光的流逝，因此间隔海平面更近的时钟实际上比珠穆朗玛峰上的时钟慢一点，这意味着物理学家可以利用原子钟来测定地球的形状、大小和地球重力场等，这是一个被称为大地丈量学的科学领域。
为了提高丈量精度，天文学家已开始将举动步伐同步到单个精确的韶光标准。这种同步会改进被称为超长基线干涉法的天文成像技能，该方法涉及多个天文台协同成像一个原来无法用单个望远镜分辨的物体。例如，天文学家今年早些时候利用这种技能拍摄了黑洞的第一张图像。更好的韶光同步将可以实现更高分辨率的成像，因此也须要原子钟来帮忙。
此外，如果原子钟能够更准确地丈量原子振荡，那么它们将足够灵敏以检测诸如暗物质和引力波之类的征象。有了更好的原子钟，科学家还可以开始回答一些令人费解的问题，例如重力对韶光的流逝可能产生什么影响，以及时间本身是否随着宇宙的老化而改变。
