虽然人类不是唯一测量时间的物种，但在某种意义上，我们确实把时间作为我们生活的焦点。从安排工作、会议或活动，到庆祝生日，时间已成为我们社会的一个有影响力的方面。我们用时钟来测量时间，特别是非常精确的原子钟。“原子钟可能是现存最古老，使用最广泛的量子技术之一，”市场领先的量子公司ColdQuanta原子钟部门负责人Judith Olson解释说。时钟对我们社会的重要性不容低估，因为它们支撑着我们社会大部分基础设施。英国国家物理实验室(NPL)时间与频率科学负责人Helen Margolis表示:“原子钟是我们日常生活中所依赖的许多技术的基础——现代通信系统、能源分配、运输系统和金融交易都依赖于精确的时间和频率标准。”
原子钟之所以如此精确，是因为它们利用了原子和分子的量子力学特性。根据美国国家标准与技术研究所(NIST)的说法，原子钟专注于原子共振频率来测量时间。在普通时钟（如手表）中，一块石英以特定频率振动，这个频率被“计数”为时间，原子和特殊激光也使用类似的过程。当原子与特定激光频率相互作用时会改变能级，因此对这些频率的原子响应使激光稳定下来。然后，可以将稳定的激光频率“测量并计数为时钟的”滴答声”。由于这些共振频率是时钟内基本量子动力学的固有部分，因此它们非常准确和稳定。NIST的科学家们研究了多种原子钟，包括F1铯钟，它的错误率为一百万年一秒。
下一代计时的应用
由于其高精度和精密度，原子钟已可用于多个行业。“量子如此关注时钟的部分原因是已经有市场，”Olson说。“人们意识到这些时钟的存在，并且是有用的技术。人们购买并使用它们。许多其他量子技术在没有现有成熟经济市场的情况下进一步出现，比如量子计算机。原子钟已经被证明是一种颠覆性的计时技术，量子行业的许多人希望也能将其转化为量子计算机。正如Olson所说;“你现在不能在商店里买到量子计算机，但几十年来，你可以在商业上买到量子时钟。”这使得研究人员和公司更容易利用这些设备来开发其他技术。
由于这些设备很容易获得，许多行业已经利用它们的好处来获得显著的优势。从GPS卫星到本地网络，这些时钟正在改善导航系统，这可以使包括军方在内的所有个人受益。“例如，卫星导航依靠卫星上的原子钟来计算和跟踪接收器的位置，”Margolis 解释说。原子钟在告诉我们更多关于地球形状及其引力场的信息方面也特别有用。根据2020年SPIE的一篇文章:“由于重力的存在会影响时间流逝的速度，更接近海平面的时钟实际上比珠穆朗玛峰上的时钟慢，这意味着物理学家可以使用这些时钟来监测我们星球的形状，这是一个被称为大地测量学的科学领域。”这项技术甚至可能帮助科学家更准确地跟踪海平面的变化，或者为自然灾害提供早期检测和预警系统。
金融等其他行业也发现了这些设备的好处。“它们几乎被用于每一笔金融交易，”Olson说。“大多数人没有想到这一点，但原子钟最终为股票交易和ATM交易提供了时间戳。因此，每次您交易资金或数据时，它通常会获得一个从GPS或其他可追溯的时间刻度派生的时间标签。这对金融市场的安全和监管非常重要。甚至太空探索也找到了原子钟的用途。2019年，美国宇航局将一个原子钟送入轨道。美国宇航局最近的一篇文章解释说:“这些时钟将帮助航天器自己定位并自主导航。”然而，为了让原子钟发挥更大的作用，需要设计和开发更小的加固版本。
原子钟和量子计算机
量子行业的许多人希望将原子钟和量子计算机这两种技术结合起来。最近的研究表明，可以将原子钟连接到量子计算机上，以制造超精确的传感器，该传感器可以测量重力和其他力。“原子钟是现存最好的频率参考，”Olson解释说。“频率是人类所能获得的最佳可衡量质量。因此，任何时候你关心你的激光的确切频率，使用原子激光相互作用的量子计算机非常关心哪些，这都是有用的。激光频率的稳定性可能是量子计算中某些模式的限制。因为可能存在相位噪声、频率噪声或其他噪声蔓延到破坏栅极功能保真度的方式。通常，这可以通过使用可靠的频率参考来锁定其激光器或改善其噪声性能来改善，类似于原子钟。”
有了这些由原子钟和量子计算机组成的精确传感器，这些量子传感器和成像设备有很多用途。Olson 说：“一些近期对人类友好的应用是在地质学或考古学中，比如新的成像技术，你可以扫描森林、丛林或地面，找到古代遗址。“这些技术可以用于军事用途，在那里可以前所未有地监视和观察战场。”虽然还需要进行研究，但其他人已经提出，这些设备可以用于潜在地发现新的石油或矿藏。
尽管量子计算还有很长的路要走，但Olson认为，原子钟对整个网络的重要性将超过个人电脑。“我们将需要时钟来传输信息，同步数据并确保安全的量子通信，这是量子网络，”她说:“我们需要的是量子网络来传输信息、同步数据，并确保量子通信的安全。”“了解信息传输的时间和频率内容将是很重要的，但我认为，量子计算机的实际操作将更多地依赖于频率参考，而不是原子钟。”
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