目錄

• 1、劉伍明：激光冷卻原子、分子的科學(xué)和技術(shù)

• 2、駱順龍：經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)

• 3、郭國平：量子計算

• 4、高克林：原子光頻標

【精彩發(fā)言】

1、劉伍明：激光冷卻原子、介子的科學(xué)和技術(shù)

我講的題目是《激光冷卻原子、分子的科學(xué)和技術(shù)》，這個問題源于量子力學(xué)建立之初。20世紀20年代物理學(xué)體系中引進自旋開始，根據(jù)自旋是整數(shù)還是分數(shù)就把量子世界一分為二—玻色子和費米子。玻色子能夠在極低溫度下凝聚在基態(tài)，形成玻色一愛因斯坦凝聚。每兩個費米子結(jié)合可以形成庫拍對，其物理性質(zhì)類似于玻色子，同樣可以形成玻色一愛因斯坦凝聚。實驗上實現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚，實際上就是做一個低溫的物理過程。通過努力，我們現(xiàn)在可以用物理的辦法把系統(tǒng)降溫到開爾文甚至毫開爾文的量級。由于波粒二象性的存在(一個粒子在室溫下表現(xiàn)出粒子特性，而在接近零溫極限時表現(xiàn)出波動性)，現(xiàn)在做的超導(dǎo)、量子點、離子和分子都必須在低溫下進行研究。若要把研究的對象當(dāng)作一個波來考慮，就必須在低溫下才能做，有的甚至需要降到10-8甚至10-9才能滿足要求，這個實現(xiàn)起來是極富有挑戰(zhàn)性的。但是從2001年實現(xiàn)玻色子凝聚，2004年又實現(xiàn)了分子凝聚，再到后來我們實現(xiàn)了超導(dǎo)中自旋上下不匹配的自旋極化超流?？茖W(xué)研究的步伐從未因為困難而停滯過。

強關(guān)聯(lián)問題，由于其長程關(guān)聯(lián)問題和指數(shù)墻問題，從20世紀一直到現(xiàn)在都是困擾著理論學(xué)和計算學(xué)的科學(xué)難題。為了解決這個難題，我們在兩個方面做了嘗試。首先是利用激光束縛冷原子的方法，實驗上模擬強關(guān)聯(lián)體系。2009年實現(xiàn)用兩束光裝載冷原子，人為加人人造的規(guī)范場來模擬強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。最簡單的例子就是在二維電子器件中引人磁場，使得器件中的粒子在電場和磁場的作用下沿著某個平面做旋轉(zhuǎn)運動，使二維電子器出現(xiàn)一個個的能級。其次的辦法是利用冷分子。分子系統(tǒng)比原子更為復(fù)雜，其除了像原子一樣具有平動和轉(zhuǎn)動動能以外，更有分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)運動能量、質(zhì)心轉(zhuǎn)動能等更多更復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而其好處正是由于其內(nèi)部的復(fù)雜性，更容易產(chǎn)生由于長程關(guān)聯(lián)作用而出現(xiàn)的新型量子態(tài)。若能解決此系統(tǒng)的量子調(diào)控問題，就有效地解決了強關(guān)聯(lián)體系的長程關(guān)聯(lián)問題。中國很早就在這個領(lǐng)域開展了研究工作，上海光機所的王育竹先生、北大的王義遒先生早在1979年和1999年分別在冷分子領(lǐng)域做了深人研究并作出了突出的貢獻。

總而言之，現(xiàn)在大家把激光冷卻原子作為一個實驗平臺。首先要在這個實驗平臺上模擬一個可調(diào)控的量子系統(tǒng)，進行一系列復(fù)雜的量子仿真。其次就是和別的領(lǐng)域相結(jié)合，比如與光物理、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計物理和量子信息等學(xué)科有機地結(jié)合。再次就是一些潛在的應(yīng)用，這個應(yīng)用是非常直接的。我們“973”的項目在這項工作中的目標就是探索新物態(tài)和實現(xiàn)量子仿真，一方面發(fā)展一些物理理論，例如把相互作用、無序、規(guī)范場加人后產(chǎn)生新物態(tài)。技術(shù)方面的應(yīng)用就更直接，例如制造原子十涉儀、空間原子鐘（我們的原子鐘能保證10-12的精度，甚至能達到10-13）、原子陀螺儀等。

全世界范圍內(nèi)大概有200個左右的實驗組在這個領(lǐng)域進行研究。比較集中的還是在美國，有60多個，中國現(xiàn)在發(fā)展了15個組從事激光冷卻原子的研究，能做出玻色一愛因斯坦凝聚的有7個。我們自己在這個領(lǐng)域也做了十幾年的工作，主要是以下三個方面的內(nèi)容：第一個是相十性，第二個是原子輸運，第三個就是量子仿真和量子相變。

相十性方面，我們最早在2001年就開始做了。在2011年相十性工作獲得了諾貝爾獎之后，我們做了完整的理論計算闡述了那個問題。而后，我們發(fā)展了一套新的技術(shù)—共振技術(shù)。就是通過改變作用在原子上面的磁場來改變原子之間的相互作用，進而可以產(chǎn)生可以同時調(diào)節(jié)強度以及頻率的原子激光。后來我們發(fā)現(xiàn)了一些新的量子態(tài)，比如像龍卷風(fēng)一樣的渦旋態(tài)。朗道獲諾貝爾獎的主要原因之一就是發(fā)現(xiàn)量子化的渦旋，緊接著他的學(xué)生認為超導(dǎo)體和一個超流體的渦旋形狀應(yīng)該是三角格子。而我們的工作是將其推廣和發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除了三角格子外，還可以是平方格子。如果是平方格子，這時的渦旋就應(yīng)該是分數(shù)渦旋。我們最近一段時間的工作是發(fā)現(xiàn)自旋極化超流態(tài)，以及研究所謂的超逆流凝聚態(tài)等。

第二個方面，我們就是做一些原子輸運研究，最初我們做的時候比較簡單，2002年的時候，我們把原子放在一個光晶格里面，原子在周期勢阱里面就要滿足布洛赫定理。我們知道，自旋1/2電子在超導(dǎo)和超流里面會出現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)?，F(xiàn)在我們考慮一個高自旋體系，比如自旋為1或2，來考慮一個高自旋的量子隧穿問題。我們發(fā)現(xiàn)，在高自旋體系中如果是鐵磁態(tài)，同樣能發(fā)現(xiàn)阿貝爾的約瑟夫森效應(yīng)，如果體系處于反鐵磁態(tài)，則隧穿效應(yīng)不可逆，我們觀察到了非阿貝爾的約瑟夫森效應(yīng)(該理論計算出的結(jié)果有待實驗證實)。進一步我們還模擬出了光學(xué)腔中的光子約瑟夫森效應(yīng)，通過兩個相互弱藕合的光學(xué)微腔模擬超流同路，來實現(xiàn)交流和直流約瑟夫森效應(yīng)的模擬，為研究強藕合原子微腔系統(tǒng)中的多體問題提供新穎的思路。

第三個方面，我們做量子仿真，在這個方面就可以“為所欲為”。其一，產(chǎn)生光晶格，通過調(diào)節(jié)對打激光數(shù)量以及角度可以產(chǎn)生出不同緯度的光晶格。其二，把約瑟夫森效應(yīng)放進來，改變原子的相互作用。其三，調(diào)整不同的量子態(tài)，不同的組份。其四，可以改變幾何結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在這幾個實驗都可以做出來，例如三角格子、六角格子、平方格子。我們除了做了這些以外，最近又做了一個三角Kagome格子，關(guān)于這個格子，我們發(fā)現(xiàn)一般情況下它就是一個金屬到絕緣體的變化，在它的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生形變以后，我們發(fā)現(xiàn)了兩個新的量子態(tài)—片絕緣體態(tài)和近藤金屬態(tài)，而且我們在有機化合物中真實地發(fā)現(xiàn)了該幾何構(gòu)型的存在。

我們剛才講的這些復(fù)雜量子系統(tǒng)的量子仿真和不同量子態(tài)之間的關(guān)聯(lián)基本上都滿足朗道的那一套理論。關(guān)于拓撲量子相變，自然界發(fā)現(xiàn)的很少，現(xiàn)在大家公認的也就一種。在數(shù)學(xué)方面文小剛把它分了200多種，但是到現(xiàn)在仍沒有一個體系。怎樣才能應(yīng)用到實踐?首先我們想到可以在光晶格鐘模擬。目前我們做了實驗，精度很高。這里面大家目前選的這一種原子鐘能級頻率主要是這個。下一步就是想精度更高，想到10-17或者10-18的精度。另外就是希望能夠?qū)σ恍?fù)雜的系統(tǒng)，諸如銅基超導(dǎo)體已經(jīng)用了20多年了，卻沒有一個人能解釋清楚，我們這代人當(dāng)年都往這里邊沖，最后都“犧牲”了。問題就出在這是一個超導(dǎo)相和反磁鐵相的共存體系，就是一個材料隨著溫度的降低就會出現(xiàn)所謂的波散，銅氧化物也會出現(xiàn)這樣的情況。這是因為磁性和超導(dǎo)共存，理論上難以計算，現(xiàn)在我們借助數(shù)字計算的方法，通過編程以及軟件包開發(fā)的手段逐步對這樣一類復(fù)雜的系統(tǒng)慢慢進行考慮。我們中國科學(xué)家的研究得到了國際同行的認可，例如我曾應(yīng)邀在2010年第22屆國際原子物理大會上作了大會報告，這是國際上規(guī)模最大的原子分子物理大會，兩年一次，這也是自1949年以來中國人第一個在這個會議上做報告。在這次會議上有6位諾貝爾獎獲得者作報告，大會規(guī)模雖大，但報告人數(shù)有限，僅僅有20多人，我也有幸成為其中之一。

總而言之，激光冷卻原子分子科學(xué)技術(shù)是集物理科學(xué)、信息科學(xué)等綜合發(fā)展的科學(xué)，該領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)正蓬勃有序的發(fā)展。我們工作的重心是在以上幾個方面，并且我們也很想把新技術(shù)、新方法應(yīng)用到高、精、尖科技當(dāng)中，尤其是現(xiàn)代軍事方面。我相信我們研究的技術(shù)成果能為冷原子的發(fā)展、軍事現(xiàn)代化建設(shè)、國家科學(xué)綜合國力的提升作出貢獻。

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2、駱順龍：經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)

關(guān)聯(lián)是個很一般的概念和很復(fù)雜的對象，有著非常廣泛而又不同的含義，有著異常豐富的結(jié)構(gòu)。但在數(shù)學(xué)和物理上談關(guān)聯(lián)，我們通常有非常具體確切的描述。例如，在概率統(tǒng)計中，關(guān)聯(lián)通常指協(xié)方差和關(guān)聯(lián)系數(shù)，在通訊的數(shù)學(xué)理論中，關(guān)聯(lián)通常指Shannon互信息，而在量子信息論中，關(guān)聯(lián)通常指von Neumann（量子）互信息。關(guān)聯(lián)的分類、刻畫和量化是非常重要而又基本的課題，也是我們近年來研究的一個重點。我們在經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)的刻畫和關(guān)系方面做了些工作。

人們通常將量子優(yōu)越性歸結(jié)為糾纏。但是請注意，在EPR態(tài)中，經(jīng)典關(guān)聯(lián)和糾纏都等于邊緣態(tài)(約化態(tài))的嫡，因而是等量大小的，并且糾纏不能獨立于經(jīng)典關(guān)聯(lián)而存在，因此，很多量子優(yōu)越性可能是經(jīng)典關(guān)聯(lián)與糾纏(甚至更廣泛的量子關(guān)聯(lián))共同作用的結(jié)果，而并不應(yīng)僅僅歸功于糾纏。

現(xiàn)在量子信息論中兩體關(guān)聯(lián)的分類有兩種通常的方案。其一是可分/糾纏，另一個是經(jīng)典/量子。前一分類方案在近20年里已被廣泛而深人地研究。很多人甚至將糾纏與量子關(guān)聯(lián)等價起來，只是近年來人們才越來越意識到糾纏只是一種特殊的量子關(guān)聯(lián)，量子關(guān)聯(lián)的概念比糾纏要廣，特別地，很多可分態(tài)里也有量子關(guān)聯(lián)。這就誘導(dǎo)出關(guān)聯(lián)分類的第二種方案，即經(jīng)典/量子(關(guān)聯(lián))。這個分類方案是基于量子測量，與量子不可克隆也有深刻的聯(lián)系。在該方案里，經(jīng)典關(guān)聯(lián)就是通過測量能提取的信息，而量子測量通常定義為在測量過程中被破壞的信息，即全部關(guān)聯(lián)與經(jīng)典關(guān)聯(lián)的差。通俗地說，能通過物理測量手段讀出來的就是經(jīng)典的，讀不出來的就是量子的。

在用嫡的概念量化關(guān)聯(lián)的框架中，經(jīng)典關(guān)聯(lián)總是小于或者等于邊緣態(tài)的嫡，經(jīng)典關(guān)聯(lián)能獨立于量子關(guān)聯(lián)而存在，但量子關(guān)聯(lián)不能獨立于經(jīng)典關(guān)聯(lián)而存在。量子關(guān)聯(lián)的研究還處于初期，還有不少爭議?，F(xiàn)階段量子關(guān)聯(lián)的概念主要指量子失協(xié)（quantum discord），是2001年由Zurek和Vedral等引進的，到2008年，人們發(fā)現(xiàn)其對量子計算可能用，近年來也有些實驗探討量子關(guān)聯(lián)，中科大郭光燦院士組在Nature Communications上有一篇很有影響的開創(chuàng)性論文。2011年我們在International Journal of Quantum Information編輯了兩期關(guān)于量子關(guān)聯(lián)的?？?。Reviews of Modern Physics不久要發(fā)表Vedral等關(guān)于量子關(guān)聯(lián)的綜述長文，對我們的工作有比較系統(tǒng)的論述和引用。相信無論在理論上還是實驗上，經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)及其相互關(guān)系在未來會得到更多研究，并且會產(chǎn)生更大成果。

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3、郭國平：量子計算

我自己是做量子計算實驗研究的，我先簡單介紹一下量子計算。通常我們說的量子信息包括了兩大部分，第一是量子信息的傳輸，如量子保密通信;第二是量子信息處理，如量子計算。但是廣義上來講的量子信息，它實際上應(yīng)該指信息的量子化，應(yīng)該超過目前為止我們對量子信息的理解。今天我們講的量子計算是嚴格意義上的量子計算編碼，處理和讀取都是量子化的，但是如果只是當(dāng)中的某一步量子化，我個人認為也應(yīng)該算是廣義的量子信息。

我們知道，量子計算最早是R. P. Feynman提出的，當(dāng)時提出并不是考慮它有多快，主要是為了解決計算過程的發(fā)熱問題，所以提出了一個可逆的信息處理過程。這個概念提出來以后很長一段時間沒有受到太多的關(guān)注。量子計算到底有什么優(yōu)勢?當(dāng)時對量子計算的需要并不是特別迫切，只有有特別的優(yōu)勢，才會引起人們的關(guān)注。后來Peter Shor提出量子算法，有了量子算法的量子計算機就可以快速地處理大數(shù)因式分解問題，而這個大數(shù)因式分解問題是目前很多密鑰體系的安全基礎(chǔ)。因此，量子計算機就可以比較容易破解這類密碼。這樣一來，量子計算才引起大家的廣泛關(guān)注。后來印度人Grove提出一個新的量子搜索算法，可以簡化信息搜索處理的難度，讓大家看到了量子計算有更多的優(yōu)勢，這才會引起大家的興趣，或者說產(chǎn)生了研究量子計算機的迫切性。

經(jīng)典電子計算機的操作實際上就是一個輸人和一個輸出，有一個程序上的操作，這就是經(jīng)典計算機最典型的模型。量子計算實際上跟經(jīng)典計算機模型也沒有太大的出人，經(jīng)典計算機也有初始化，這里我們一直說把輸人的狀態(tài)變成一個初始的量子態(tài)，有一個初態(tài)制備的過程，所謂量子計算的核心實際上就是所謂的么正操作，這之后得到一個機器的狀態(tài)，而且是量子的狀態(tài)，然后需要進行測量。這個測量之后，量子的信息轉(zhuǎn)化為我們所熟悉的經(jīng)典值，所以大概過程是從經(jīng)典掩碼到量子，經(jīng)過計算再測量，通過測量返同到經(jīng)典值。

量子計算是有一些基本條件的，一臺量子計算機像經(jīng)典計算機一樣有一個基本的要求，最重要的一點就是保持量子相十性，這個相十時間最少應(yīng)該高于單次邏輯門操作時間的104倍。么正操作要封閉以保持長的相十時間，測量、控制要跟外界有相互作用，所以我們必須兩者兼顧，取得一個平衡，既保持相十性，又能有效操作和讀出。另外，經(jīng)典計算里面也會有錯碼。量子計算也有各種各樣的量子糾錯碼，做量子計算機與經(jīng)典計算機一樣有它的標準模型和基本要求，比如找到一個二能級體系，要使它能夠在量子計算輸人函數(shù)時完成信息的編碼和態(tài)的初始化，這里除了。0和1的相互轉(zhuǎn)動，X方向上的轉(zhuǎn)動，還要求有一個。σ z，或者σ r這樣不正交的轉(zhuǎn)動。另外，還要可以完成2比特的門操作。

在這個之外還有單向的基于測量的量子技術(shù)以及基于任意子的拓撲量子計算等概念。不過，目前我們連真正的任意值還沒有找到。單向的量子計算，就是先制備一個包含幾百個粒子的狀態(tài)，然后對其中的一個粒子進行測量，根據(jù)測量結(jié)果，再決定下面的測量粒子和操作過程，后續(xù)的操作依賴上一步的測量結(jié)果，最后可能幾百個粒子做的糾纏態(tài)可以完成幾個粒子，或者十幾個粒子量子比特的量子信息處理或量子計算過程，最后，還有絕熱量子計算，它始終保持在基態(tài)，現(xiàn)已證明絕熱量子計算跟標準量子計算摩西是等價的。

目前，號稱已實現(xiàn)商業(yè)化量子計算機的Dave公司發(fā)表了一篇絕熱退火的文章，是關(guān)于8位的一個絕熱退火的過程，類似于絕熱量的計算，但也不完全相同。不過，據(jù)公開的信息判斷，Dave公司那個量子計算跟我們所說的嚴格的絕熱量子還是有差別，量子的相十性在他們的運算過程中是不被強調(diào)的，個人認為，Dave的量子計算機是具有某些量子化特性但不全量子化的信息處理過程。

標準量子計算機，如果去掉量子化的部分，跟經(jīng)典的標準計算機沒有什么區(qū)別，經(jīng)典計算機所能做的它都能做。量子計算機加人量子之后，對于處理某些問題，如大數(shù)因式分解等具有一定的優(yōu)勢，但不是所有問題都有優(yōu)勢，可能還有一些新的我們還沒有發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢，但這還需要進一步的工作。真正全量子化的量子計算機未必能夠在近期做出來，那么近期我們也許可以先實現(xiàn)量子模擬。量子模擬也是很有意義的，比如要精確求解一個三體問題很難，現(xiàn)在計算機當(dāng)然也可以完成，但是如果五體問題，十體問題，100體的呢，假設(shè)100個電子相互作用，對于這樣的問題，經(jīng)典計算機就不好做了。這種情況下，所謂量子模擬，如果我們用100比特模擬它們之間的相互作用，就是某一種物理過程的相互作用，根據(jù)模擬的過程和結(jié)果就可以知道這100個粒子相互作用一段時間之后會變成什么樣子。因此，即使現(xiàn)有量子計算機的比特不是那么多，或者在真正的大規(guī)模集成量子計算機做出來之前，量子計算或者量子模擬的研究也是可以解決一些實際問題的。

標準的量子計算模型事實上目前來看還是在摸索的階段，大家也不知道哪個物理體系特別好，哪個物理體系一定適合。就像當(dāng)年經(jīng)典計算機的電子管還沒有做出來之前的那段狀態(tài)，更不要說到了晶體管這個階段。目前大家在不同的物理體系上面，或者同一個物理體系采用不同的方法可以做單比特的門，2比特的但是，如果把各個技術(shù)放到一起，這個目前還是很有困難的，可能在某一個體系，某一種方法做某一個事情，或某一點上，做得很好，但是把所有的技術(shù)融合在一起，目前還是很有困難的。

我們國家在量子通信，特別是量子密碼分發(fā)方面研究比較多，但量子計算方面，總體來看我們沒有像量子通訊那樣具有比較高的國際競爭力。我個人選擇半導(dǎo)體體系做量子計算有幾點考慮。我堅信信息的量子化過程不可避免?，F(xiàn)在的CPU或者信息處理都是基于晶體管做的，半導(dǎo)體晶體管集成起來就得到我們所說的芯片，或者說CPU是信息處理的基礎(chǔ)。摩爾定律告訴我們，晶體管越做越小，小到一定的程度，量子效應(yīng)就無可避免，現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片技術(shù)繼續(xù)發(fā)展必然會有一個量子化的過程，目前我們還在想各種辦法避免和克服這些逐漸顯現(xiàn)的量子效應(yīng)。但越往后發(fā)展，量子效應(yīng)越強，避免和克服這些量子效應(yīng)的出路在哪里呢?我們?yōu)槭裁床环催^來充分利用這些量子效應(yīng)呢?開發(fā)利用這些量子效應(yīng)，這正好與量子信息領(lǐng)域的量子計算概念不謀而合。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展正好為半導(dǎo)體量子計算的誕生奠定了良好的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，而且半導(dǎo)體柵型量子點量子計算的操作是全電學(xué)的，與我們熟悉的經(jīng)典計算機運作模型類似。

信息的量子化的趨勢是無可避免的，就看你怎么樣量子化，或者在某一個時間到底量子化到什么程度。我們應(yīng)該抱著一個樂觀開放的心態(tài)來迎接、參與、推動信息的量子化過程。

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4、高克林：原子光頻標

我從三個方面介紹光頻的精密測量研究。

第一個就是精密光頻測量的發(fā)展。我們知道精密譜測量與科學(xué)的發(fā)展是緊密相關(guān)的。舉一個例子來說:我們?nèi)祟愓J為理解最清楚的就是氫原子，因為氫原子只有一個電子，但是我們開展氫原子光頻的測量是從1920年開始的，而且到現(xiàn)在還在繼續(xù)。也就是說，我們?yōu)榱肆私庀嚓P(guān)的物理規(guī)律而對它的測量精度要求是沒有止境的。精密測量與物理學(xué)發(fā)展的關(guān)系有:氫原子的精密光譜是量子力學(xué)的奠基石之一;氫原子蘭姆位置和電子反常磁矩的測量導(dǎo)致量子電動力學(xué)和CPT守恒最早和最精密的檢測;原子頻標在地面上和火箭上的對比實驗，導(dǎo)致了廣義相對論預(yù)言的重力紅移的證實。由此可見:精密譜的測量精度的提高推動了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時推動了科學(xué)的發(fā)展。

我們知道，目前在所有的可測物理量中，頻率的測量是最精準的。如秒的定義在1967年為133Cs原子基態(tài)兩個超精細能級之間的躍遷所對應(yīng)的輻射的9,192,631,770個周期所持續(xù)的時間。這是由于微波的測量技術(shù)發(fā)展得比較好?，F(xiàn)在由于光頻測量的迅速發(fā)展，大家正考慮未來的秒定義可能是原子光頻躍遷(光鐘)?，F(xiàn)在光頻測量的精度能達到多少?光梳的傳輸精度到達10-19量級，原子光鐘頻率不確定度是10-18(18位有效數(shù)值)。所以，頻率的測量是精密測量的前沿。

近年來，控制原子和激光的技術(shù)有了新的發(fā)展，出現(xiàn)了冷原子和超窄線寬以及飛秒光梳，導(dǎo)致了光頻的精密測量的飛速發(fā)展。光頻標準的精度超過了我們現(xiàn)在所用的微波標準。正在幫助人們實現(xiàn)更精準的時間標準的夢想。

那么，什么是原子光頻標?它由三部分組成:一是非常穩(wěn)定的原子體系，這就是冷原子。現(xiàn)在用在原子頻標的原子有兩種，第一種就是囚禁的單個離子，第二種就是囚禁在光晶格里的冷原子團。二是探測冷原子光頻躍遷的激發(fā)源—激光器。因原子光頻的線寬往往小于赫茲量級。所以，激光的線寬應(yīng)小于光頻的線寬。三是如何知道光頻標的特性，由于現(xiàn)在的標準在微波，我們需要一把很精準的尺子，這就是飛秒光梳。

光頻標的發(fā)展以囚禁離子為例(因我從事囚禁離子的工作)。世界上現(xiàn)在已開展的有：Hg,Sr,Yb,Ba,Ca,In,A1。其中精度最高的是A1離子。由于光頻標的精度已超過微波頻標，大家都在開展光頻標的比對，即兩個高精度光頻的測量。除了美國標準局的A1離子，2012年日本用兩個原子，一個是一維光晶格中銘- 87原子，一個是二維光晶格中的銘-88原子。兩個光頻標的比對測量精度到達10-17量級。

有了如此高精度的原子頻標，我們能做什么呢?首先，可能用來定義我們的時間頻率標準。在基本物理方面，在更高精度上檢驗物理定律和物理規(guī)律。例如，基本物理常數(shù)是不是不隨時間變化;相對論效應(yīng)在更高精度上是否仍然成立。研究在更細微的物理里面有什么新的效應(yīng)和新的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致新的物理。而高精度光鐘在全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)和重力場測量等中的應(yīng)用，會推動社會和經(jīng)濟的發(fā)展。

說了原子光頻標的意義和國際發(fā)展，我向大家匯報一下我們小組從事了10多年(確切地說，本人從事囚禁離子工作27年，開展單離子-光頻標12年)的囚禁冷卻Ca離子光頻標的工作。

首先，我們選擇了Ca離子體系，主要是因為它的能級比較簡單，而且所有的能級躍遷可用固體激光到達。Ca離子的量子態(tài)的制備和在量子信息和光頻標中都有一定的特色。

我們采用非標準的微型射頻(Paul)離子阱囚禁Ca離子。單個Ca離子的熒光信號用一般的光電倍增管測量。需要很好的抑制本底和噪聲，同時利用量子跳躍的方法。囚禁離子需要對囚禁場和外場的精密控制和調(diào)節(jié)。光頻標中最關(guān)鍵的是對激光的調(diào)控。對不同用途的激光我們有不同的要求，如冷卻用的激發(fā)光(397nm)和同泵光(866nm )。因為冷卻原子的激發(fā)態(tài)(P)能級是兆赫茲( 20MHz )，我們的激光線寬小于千赫茲( kHz)就行。還有激光的漂移的抑制，我們先采用腔和原子的光電流同時鎖定的方法，滿足了冷卻離子實驗要求，后來采用初穩(wěn)腔和比較腔的穩(wěn)頻方法，滿足光頻的鎖定實驗。而光頻躍遷的線寬為赫茲量級，這樣對激發(fā)光(729 nm)是一個挑戰(zhàn)。為此，我們設(shè)計和加工了一個由超低膨脹系數(shù)材料制備的細度極高的光學(xué)超穩(wěn)腔，把這個腔放在真空容器內(nèi)，然后進行溫度的精密控制以及振動抑制，通過細致的調(diào)節(jié)，把729nm的激光鎖定在腔的共振峰上。鎖定的激光頻率與離子的光頻躍遷頻率有一點差距，再用一套聲光移頻系統(tǒng)把它調(diào)到光頻上。穩(wěn)定鎖定時間從最開始的幾秒鐘，然后幾分鐘，再到幾天。你要測量窄線寬激光，只有通過有同樣精度的激光進行比對測量。為此，我們建立了半導(dǎo)體穩(wěn)頻的激光，兩者的拍頻測量結(jié)果為小于10Hz。

建立了囚禁用射頻離子阱和較穩(wěn)定的冷卻用激光系統(tǒng)，我們開展了單個離子的囚禁冷卻實驗。用電子束轟擊原子束使其電離，產(chǎn)生的離子由一定的電磁場囚禁，掃描激光的波長實現(xiàn)離子的冷卻。多個離子采用適當(dāng)?shù)募訜岱绞?，使多余的離子逃離。剩下單個離子，單離子的信號非常弱，但可用量子躍遷的方法測量。經(jīng)過這么多年的努力，我們現(xiàn)在對離子可以控制得較好，囚禁的單離子可在阱中保存巧天。

如何測量單個囚禁和冷卻離子的光頻率呢?我們應(yīng)有一個基準，這就是國際標準值(SI)。我們現(xiàn)在沒有艷原子頻標，只有氫原子鐘，而中國計量院現(xiàn)在有世界時，可否利用GPS比對的方法開展遠距離的比對測量呢?我們嘗試了這種方法。在2011年6月和7月進行了兩次分別為15天和17天的測量，由此給出了對氫鐘的校準。而原子的光頻率是應(yīng)考慮物理和環(huán)境對它的影響的。在目前條件下，我們考慮所有可能的效應(yīng)，主要包括運動、磁場、電場、溫度和引力的影響，為此得到了系統(tǒng)誤差表。加上統(tǒng)計誤差，給出了40 C a離子的光頻躍遷的頻率值，有效數(shù)為巧位。

這對我們是非常大的挑戰(zhàn)，因為目前對于多電子的原子體系，理論上很難計算得到頻率的準確值。所以，現(xiàn)在都得靠實驗，而頻標是通過比較大家的測量值取得一致后得到的。國際上已經(jīng)在2009年推薦了它的頻率測量值，這個值是來源于奧地利和日本兩家的實驗結(jié)果。我們的測量結(jié)果同這個推薦值是一致的。2012年我們向國際計量委員會推薦了我們的測量結(jié)果，最新的消息是我們的推薦值被國際接受了。經(jīng)過大家的努力，我們建立了一個光頻標，但我們的工作還是初步的。進一步的工作是什么?第一，我想還是關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān):最重要的還是激光的穩(wěn)頻問題，這是很有挑戰(zhàn)性的。同時，激光的問題很多取決于電子學(xué)電路控制精度。第二，誤差分析，需物理思路和對外場的精確控制能力。第三，譜的精密測量。

人們?yōu)榱颂接懘笞匀坏囊?guī)律，對精密的追求是沒有止境的。究竟光頻測量的極限在哪里呢?能否考慮:把量子態(tài)的控制和我們的精密測量真正掛鉤，探討激光線寬的極限實現(xiàn);還有一些更細微的頻率漂移機理，能不能找到更合適的原子體系?如何把全球的光頻標連接起來，這些都是我們要討論的問題。

我談一點自己的想法。可否建立以光頻作為“秒”的新定義?大家說可能2019年討論秒的新定義，我想也許可能還要早一點。所以，我們應(yīng)更加努力地工作，爭取中國在時間/頻率標準方面有一定的話語權(quán)。另外，我們現(xiàn)在應(yīng)建立時間/頻率傳遞系統(tǒng)。能否考慮單離子光頻標和冷原子光頻標各自的優(yōu)點和如何借鑒，由此突破原子光頻標的極限，并探索一些更細微的東西?