2026年9月23日——取一秒钟，把它分成数万亿个瞬间。测量每一个瞬间。这就是新加坡 Centre for Quantum Technologies （CQT）的一台原子钟计时所能达到的精确程度——根据9月23日发表在《自然》上的结果，它还达到了创纪录的准确度。 

“我相信，我们现在拥有的是世界上最准确的时钟，”团队负责人 Murray Barrett 说。他是 CQT 首席研究员，也是新加坡国立大学物理系副教授。

研究人员这一说法的依据是测量结果：他们用元素镥打造的原子钟，性能超过了此前由不同元素制成的纪录保持者。

更准确的时钟有望探测基础物理学中的未知现象，并监测地球各地的引力变化——它们也在竞相重新定义秒。

突破计时极限

原子钟参照原子跃迁来计时，即原子中的一个电子在不同能级之间转换。这种跃迁的频率是原子的固定属性。激光会与这一“时钟跃迁”相匹配，光的振荡就像钟摆一样用于计量时间。

这一基本方法已经沿用数十年。自20世纪60年代以来，铯原子一直设定着全球时间标准，铯原子钟已经支撑全球定位系统（GPS），并同步通信和交通网络。

但科学家一直在用其他元素突破计时极限。

镱、锶和铝等近期的纪录保持元素，其振荡速度远快于铯，因此有助于更准确地计时。负责时间标准的国际机构正在考虑来自这类新型光学原子钟的数据，以推动预计在2030年或之后进行的秒重新定义。

CQT 团队十多年前就开始研究镥，因为他们凭直觉认为，镥具备合适的特性，能够跻身性能最顶尖的时钟之列。据该团队所知，迄今为止，他们是唯一一个用这种元素进行计时的团队。

如今，该团队已将他们的镥原子钟频率测量到小数点后19位，报告的不确定度为 1 x 10^-19 ，这是迄今任何光学原子钟所报告的最低值。他们还建造了两台时钟，并相互比较其走时。 两台时钟在 5.7 x 10^-19 的不确定度上一致，这是有史以来最精确的时钟比对。更多测量可能会进一步降低这一不确定度。

镥的优势

镥的出色性能源于这种原子的特性：其时钟跃迁几乎不受温度或磁场变化的影响。在其他元素中，这些环境因素会轻微改变时钟跃迁的频率。

“未来，我根本看不出这座时钟怎么可能被超越，”Barrett 副教授说。他的团队在原子钟装置上进行了十多年的精密工程，测试原子的不同特性。这项工作包括发明一种名为“超精细平均”（hyperfine averaging）的方案，用来定义时钟跃迁。

“这些良好特性意味着，即使在多种环境下也能实现高准确度，”Barrett 副教授说。“即使你从地球上记录到的最热地点死亡谷，去到南极高原上最冷的地方，镥原子钟也会保持稳定。”

两台胜一台

团队的信心得到了他们时钟比对的支撑；该比对采用一种称为相关光谱学的技术，在200小时的测量中完成。

每台镥原子钟都由一个带电荷的 ¹⁷⁶Lu+ 离子组成，其时钟跃迁与波长为848纳米的激光相匹配。

“有一个幽默的说法：‘一个人有一只表，知道现在几点；一个人有两只表，就永远不确定了。’”来自新加坡国立大学 CQT 的高级研究科学家、该论文共同第一作者 Kyle Arnold 博士说。“这基本上说明，测试一个标准准确度的唯一方法，就是比对时钟并证明其可复现性。”

理想情况下，该团队还会将其镥原子钟与世界上其他最好的原子钟进行比对，但这存在一项挑战。达到 10^-19 水平的光学原子钟如此精确，以至于它们能感受到毫米级高度差造成的引力时间变慢。CQT 团队的比对测量能够分辨出同一张桌子上两台时钟之间5毫米的高度差。为了确保这不会限制他们的测量，他们独立测量了 Lu+ 离子的高度差，精度达到亚毫米级。地球不同地点之间的引力差异目前还没有被足够精确地了解，尚不足以在这一水平上比对时钟。

为了实现新的比对并探索未来应用，这种时钟应该走出实验室。“下一步是将实验室规模的时钟小型化，变成可运输的系统，”论文共同第一作者、新加坡国立大学团队博士生 Michael Lee 先生说。研究人员预计，他们可以在不牺牲准确度的情况下把时钟做得更小。