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

對于這些應用，問題即將解決，一種最精準的時鐘已經問世。這種時鐘是安德烈?呂滕（Andre Luiten）在西澳大利亞大學即將畢業時完成的。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應用。他和他的同事正在阿德萊德大學（也在澳大利亞）從事這些應用研究，他現在是光子學和先進傳感研究所（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。因為準確度（accuracy）和精確度（precision）是不同的概念：準確度是時鐘計量真正的1秒時間的準確程度，現在1秒鐘被定義為銫原子在受控條件下在兩個能態之間振蕩9 192 631 770次的時間。2013年以來，雖然已經建造出了更準確的原子鐘，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。

對于許多應用，例如衛星全球定位系統，精確度則是至關重要的。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準與技術研究院運行的NIST-F2銫鐘非常精確，它運行3億年才會快或慢1秒鐘。

但對某些應用來說，精確度比準確度更重要。精確度不需要完美地劃定一個瞬間，而是要創造非常有規律的走時或振蕩。想象一下飛鏢游戲。原子鐘能夠將它們的所有飛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，它能夠將所有飛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，因此頻率非常統一。

最后的結果是藍寶石，一種可以在實驗室合成的氧化鋁晶體。當冷卻至-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，但因為它是半導體，所以會產生很大的電損耗。

“我們使用的是一塊圓柱形藍寶石，其大小與迄今為止發現的最大的天然藍寶石大致相同。”呂滕說，“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生波紋，如聲波一樣沿著曲面傳播。“當你在倫敦圣保羅教堂輕聲說話時，聲音會傳遍教堂四周。”呂滕說，“我們使用的是同一個概念，只不過只用一組特定的頻率。”

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整了溫度，以利用晶體中的雜質。“藍寶石的結構很堅固，當受到外力作用時，它仍然以相同的頻率回應。”

遺憾的是，藍寶石的卓越性能只在接近絕對零度時才表現出來。因此我們必須找到某種方法來保持晶體處于超冷狀態。20世紀90年代初，當呂滕還在攻讀博士學位時，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，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定。然而，隨高壓脈沖到達的氣體會導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）提出減少冷卻系統產生的振動的方法，使用金屬隔離技術和一小槽液氦，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工具，可以做這些驚人的測試，但它的用途僅限于此。”呂滕說。

呂滕和哈萊特利用這項技術成立了一家名為Cryoclock的公司，他們倆現在都是這家公司的負責人。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，對許多應用來說太大了；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系統公司的支持下運行著一個超視距雷達系統，被稱為“金達利作戰雷達網”（JORN）。JORN使用了3個發射和接收站點，為了防止干擾，每臺發射器和接收器之間相隔約100公里。

發射站發出被電離層折射的高頻信號，接收器監聽船只和飛行器產生的回波。“JORN可以看到3 000公里外。”BAE的前項目負責人史蒂夫?溫德（Steve Wynd）解釋道，“但因為我們要向上發射這些信號并折射回來，所以它的最小范圍約為1 000公里。”

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——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，信號會發生相移。

“我們將信號傳播出去，如果目標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，我們能夠利用目標的方向和速度來形成目標軌跡。”溫德說。

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致信號發生變化，地球表面的反射也會變化。地球表面的雷達橫截面很大，大約是目標橫截面的100萬倍，會造成目標識別困難。

“我們面臨的挑戰之一是從背景雜波中分解出目標。”溫德說，“如果雜波太強，信號就會消失。”

這就是精確時鐘真正發揮作用的地方。輸出信號的頻率受基準時鐘走時的控制，目前基準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，如果發射站和接收站的時鐘走時不同步，那么整個系統將無法準確地測量出目標的距離。

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

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，即不穩定目標的圖片，其清晰度比石英振蕩器提高了3個數量級。石英晶體結構不同，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，但結果不言而喻。“這個差別就好比是15年前的等離子電視與現在的超高清電視一樣。”溫德強調說，“這個時鐘能產生更清晰的圖像。”



然而，JORN接收站的龐大規模產生了另一個問題。回波來自不同的角度，導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。”溫德說，“如果目標位于左側30度，那么波前到達左側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。“我們獲取每個天線讀數的時間稍有不同。”溫德說，“時鐘源及其時鐘分配的精確度越高，雷達分辨目標的能力就越強。”

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，研究小組發現，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。雖然這項技術尚未能成為雷達的永久部件，但這個系統集成計劃正在進行。“這項技術是可行的，但在可用性和可支持性方面，JORN有性能要求。”溫德解釋說，“這種工程設計方法與原型設計是不同的。” 一位澳大利亞軍方發言人說：“如果進展令人滿意，我們有意將低溫藍寶石振蕩器納入JORN。”

量子計算是藍寶石時鐘的另一個應用，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：傳統的計算機芯片切換開關電流，產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——存在于復雜疊加狀態的原子粒子，經常被描述為（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量的增加呈指數增長。

然而，量子位的問題是不穩定，容易出錯。如果外部條件發生變化，比如外加電磁場，性能會受到極大的影響。“這種退化是一個重要的限制因素。”悉尼大學量子控制實驗室主任邁克爾?比約克（Michael Biercuk）解釋道，他同時也是初創企業Q-CTRL的創始人，“這是這個領域的致命弱點。”

為了創造更好的硬件以阻擋外部世界的影響和保護量子位，我們已經付出了很多努力，但這還不夠。“搞亂我們的不僅僅是外部世界。”比約克解釋道，“隨著量子硬件越來越好，我們不得不開始擔心如何用主時鐘同步所有正在運行的設備。”

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，從而調諧微波來操控量子位。不穩定的時鐘可以改變微波的頻率，產生與量子位本身的不穩定性相同的錯誤。 “為了有一個好的復合系統——主時鐘加上量子位，我們需要一個穩定的微波源。”比約克說，“這就是藍寶石時鐘為我們提供的東西。”

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、更穩定的量子計算機。初步結果表明，使用藍寶石時鐘后，量子位的有效壽命比現有方案延長了9倍。

“藍寶石時鐘提供了一個純凈的起始頻率，我們可以調制執行量子邏輯運算，對其他誤差源具有魯棒性。”比約克說，“將這個系統與原子（鐘）基準結合起來，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定性。”

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的發展。許多早期的藥物研發使用計算機來模擬或分析致病機理背景的分子。與傳統計算機相比，量子計算機可以模擬比較更大的分子。在密碼學方面，量子方法可以破解現在需要幾個世紀才能破解的加密算法，使我們數字生活的各方面都變得更易受到攻擊。

當然，前方依然存在大量挑戰。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的興趣。據說，他們正在準備一份重要的合同。

“有人有興趣把這種時鐘用在飛機上，我們也希望有機會應用在5G通信系統中。”呂滕說。

如果成功，呂滕及其團隊將距離攀登和測定科學界的珠穆朗瑪峰更近一步。他們長時間攀登的結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